Схема 7

ХІД РОБОТИ:

ВАРІАНТ ________________

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 7

ТЕМА: Розв’язування задач з екології. Складання схем колообігу речовин у екосистемах.

МЕТА: Сформувати вміння розв’язувати задачі з екології. Перевірити вміння застосовувати знання з екології для розв’язування задач. Уточнити і систематизувати знання студентів про кругообіг речовин та перетворення енергії в біосфері. Вчити складати схеми колообігу речовин в екосистемах.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Для постійного існування біосфери, для запобігання припинення розвитку життя на Землі у природі повинні постійно відбуватись безперервні процеси перетворення її живої речовини. Біологічний колообіг - це багаторазова участь хімічних елементів у процесах, які протікають у біосфері. Причина колообігу - обмеженість елементів, з яких будується тіло організмів.У біосфері відбувається постійний колообіг активних елементів, які переходять від організму до організму, у неживу природу і знову до організму. Елементи, які вивільняються мікроорганізмами при гнитті, надходять у грунт і атмосферу, знову включаються в колообіг речовин біосфери, поглинаючись живими організмами. Весь цей процес і буде біогенною міграцією атомів. Для біогенної міграції характерним є накопичення хімічних елементів у живих організмах, а також їх вивільнення у результаті розкладу мертвих організмів. Біогенна міграція викликається трьома процесами: обміном речовин в організмах; ростом; розмноженням.

Визначення біогенної міграції хімічних елементів, яка викликана силами життя, дав B.I. Вернадський (Закон біогенної міграції атомів). Біогенна міграція є частиною загальної міграції хімічних елементів біосфери. Головною геохімічною особливістю живої речовини є те, що вона пропускаючи через себе атоми хімічних елементів земної кори, гідросфери та атмосфери, здійснює у процесі життєдіяльності їх закономірну диференціацію. Завершуючи свій життєвий цикл, організми повертають природі все, що взяли у неї протягом життя. В.І.Вернадський підрахував, що за час існування на Землі біосфери було створено 3,5.1019 т біомаси, що майже в 2 рази перевищує масу всієї земної кори, яка становить 2.1019 т. Робота, що виконується живою речовиною, за Вернадським може бути оцінена за формулою Е = PV² / 2, де Р - маса організмів, V - швидкість розтікання біомаси (розмноження організмів).

Жива речовина значно прискорила й змінила колообіги різних речовин - води, кисню, азоту, вуглекислого газу тощо. Сучасний склад атмосфери створений завдяки діяльності живої речовини. Обмін повітря між всіма широтами й півкулями Землі відбувається в середньому за 2 роки. Активно переміщується течіями океанічна вода. Вся прісна вода стікає в океан за 14 діб, у льодовиках вода оновлюється за 15 000 років.

Жива речовина активно регулює геохімічну міграцію атомів. Завдяки йому зберігається стабільність біосфери і здійснюється еволюція як живих організмів, так і всієї біосфери в цілому. Цей особливий вид стану рівноваги, що постійно змінюється, В.І Вернадський називав динамічною рівновагою. Динамічна рівновага характерна не лише для біосфери. В такому стані знаходяться атмосфера, земна кора та мантія.

Для геосфер, не охоплених життям, характерна стійка динамічна рівновага. В біосфері динамічна рівновага не стійка. Це означає, що біосфера розвивається в процесі діяльності, самовдосконалюється, все більш повно, активно і в більшому масштабі накопичує, трансформує енергію, ускладнює свою організацію, збагачується інформацією.

Розрізняють два типи біогенної міграції, перший з них здійснюється мікроорганізмами, а другий - багатоклітинними організмами. Величина міграції першого типу переважає над другим. Людство оволоділо міграцією третього типу, яка іде під впливом його діяльності. Крім того, розрізняють великий (геологічний) та малий (біологічний) колообіги і колообіги різних природних ресурсів (ресурсні цикли). Великий (геологічний) колообіг. Вивержені глибинні породи мантійного походження (базальти) тектонічними процесами виводяться з надр Землі в біосферу. Під впливом сонячної енергії й живої речовини вони вивітрюються, переносяться, відкладаються, перетворюючись різноманітні осадові породи, де запасається сонячна енергія (з вивержених мінералів утворюються глини, а вулканічні гази -СО, NH₃ - переходять у вугілля та нафту).

Потім за рахунок тектонічних рухів осадові породи потрапляють у зони високих тисків та температур (а також радіоактивного розпаду й гравітаційної диференціації) і перетворюються в гранітні породи з більш високим рівнем енергії, ніж у осадових порід. Кристалізовані вивержені породи знову за рахунок висхідних тектонічних рухів потрапляють у біосферу. Таким чином цикл завершується, але вже на новому рівні, бо з вихідних базальтів утворилися вивержені породи гранітного складу.

Малий біологічний колообіг (трансформація) речовин в біосфері. В кожній екосистемі колообіг речовин відбувається в результаті взаємодії автотрофів та гетеротрофів.

Вуглець, водень, кисень, азот, сірка і фосфор та біля 30 простих речовин, що необхідні для утворення живої речовини, безперервно перетворюються в органічні речовини або поглинаються в вигляді неорганічних компонентів автотрофами, а автотрофи використовуються гетеротрофами (спочатку консументами, а потім деструкторами). Таким чином, біогенні елементи безперервно циркулюють: розчиняються в континентальних водах, виносяться в моря або потрапляють в атмосферу, а між цими середовищами відбувається постійний газообмін, тобто відбувається біологічний колообіг атомів. Суть колообігу в тому, що утворення живої речовини і розклад органічної речовини - два боки єдиного процесу. В процесі біологічного колообігу атоми поглинаються живою речовиною і заряджаються енергією, а потім залишають живу речовину, віддаючи енергію в оточуюче середовище. За рахунок біогенної енергії відбувається більшість хімічних реакцій. Біологічні колообіги можуть бути різних масштабів і різної тривалості - від швидкого колообігу в ґрунті, річці, озері до тривалого, який обіймає всю біосферу.

Біологічний колообіг зворотний не повністю, частина речовин постійно виходить з колообігу і осідає в товщині осадових порід у вигляді органогенних вапняків, гумусу, торфу і т.п. В результаті колообігу біосфера (чи інша екосистема) не повертається в початковий стан: для біосфери характерний поступальний рух, тому символом біологічного циклу є не коло, а циклоїд (спіраль).

Отже, колообіг речовин у природі спрямовується спільною дією як біологічних, так і геохімічних та геофізичних сил.

Вплив антропогенного фактора на колообіг. В порівнянні з тривалістю існування біосфери людина існує надзвичайно короткий час. Проте, за цей короткий проміжок часу колообіг речовин в біосфері змінився радикально. В.І.Вернадський підрахував, що в античні часи люди використовували лише 18 хімічних елементів, у XVIII ст. - 29, у XIХ ст. - 62, а тепер використовуються 89 елементів, що є в земній корі, крім того одержані такі, яких у природі зовсім немає (плутоній, технецій тощо)

Людина небувало прискорила колообіг деяких речовин - родовища заліза, цинку, свинцю інших елементів, які природа накопичувала мільйони років, швидко вичерпуються. Людина швидкими темпами використовує сонячну енергію “минулих біосфер”, накопичену в вугіллі, нафті, природному газі, вона вивільняє енергію, що міститься в урані. Все це збільшує неврівноваженість біосфери. Створюючи водосховища, дістаючи воду з глибинних водоносних горизонтів, людина втручається в колообіг води в природі.

Людині слід чітко уявити, що вони намагаються побудувати для себе та своїх нащадків, бо нічого з того, що робиться з природою, виправити неможливо.

З екологічної точки зору найважливішими є колообіги речовин, які є основними компонентами живої речовини: колообіг кисню; колообіг вуглецю; колообіг води; колообіг азоту; колообіг сірки; колообіг фосфору.

В. І. Вернадський зазначав, що на земній поверхні немає хімічної сили, яка б діяла постійніше, а тому й могутнішої за своїм кінцевим результатом, ніж загалом взяті живі організми. Жива речовина виконує хімічні функції: газову, концентраційну, окисновідновну і біохімічну.

Газову функцію здійснюють зелені рослини, які в процесі фотосинтезу виділяють в атмосферу кисень, рослини і тварини, які під час дихання виділяють вуглекислий газ, а також багато видів бактерій, які відновлюють азот із сполук, сірководень та ін.

Концентраційна функція пов'язана з нагромадженням у живій речовині хімічних елементів (вуглецю, водню, азоту, кисню, кальцію, калію, силіцію, фосфору, магнію, сірки, хлору, натрію, алюмінію, заліза). Окремі види є специфічними концентраторами деяких елементів: багато морських водоростей — йоду, жовтці — літію, ряска — радію, діатомові водорості і злаки — силіцію, молюски і ракоподібні — міді, хребетні — заліза, бактерії — мангану. Окисновідновна функція виявляється в окисненні речовин за участю організмів у грунтах і гідросфері, що супроводжується утворенням солей, оксидів тощо, та відновленні деяких речовин (сірководень, сульфат заліза та ін.). З діяльністю бактерій пов'язане формування вапняків, бокситів, залізних, манганових і мідних руд тощо. Біохімічна функці я реалізується в процесі обміну речовин у живих організмах (живлення, дихання, виділення) і руйнування, деструкції відмерлих організмів та продуктів їхньої життєдіяльності. Ці процеси зумовлюють колообіг речовин у природі, біогенну міграцію атомів.

У процесі фотосинтезу рослини засвоюють вуглець, який надходить до листків із повітря у вигляді вуглекислого газу, й утворюють вуглеводи. При цьому відбувається перетворення сонячної енергії на хімічну. В цьому полягає космічна роль зелених рослин. У процесі дихання рослин частина вуглеводів окиснюється і вуглекислий газ виділяється у повітря. Більша частина вуглеводів нагромаджується у рослинах, де утворюються також білки і жири. Рослини поїдаються гетеротрофними організмами, таким чином сполуки, синтезовані рослинами, проходять через низку ланок у ланцюгах живлення. Під час дихання рослин вуглеводи окиснюються. За рахунок вивільнення енергії відбуваються всі життєві процеси, а вуглекислий газ виділяється в повітря.

Відмерлі рослини і тварини розкладаються за участю гнильних бактерій: при цьому також окиснюється вуглець органічних речовин з утворенням CQ2, що надходить у навколишнє середовище. Внаслідок розкладання решток організмів за відсутності кисню, тобто без окиснення (наприклад, на дні водойм), утворюються торф, кам'яне вугілля, нафта, сланці. Людина їх використовує як джерело енергії, а вуглекислий газ також надходить в атмосферу. Так, в одних випадках довге, а в інших — коротке коло замикається і розпочинається новий цикл включення вуглецю в органічні сполуки, що синтезуються рослинами. Кисень атмосфери має біогенне походження. Він постійно надходить в атмосферу внаслідок перебігу процесів фотосинтезу. Вільний кисень в процесі дихання використовується аеробними організмами. Одним із кінцевих продуктів окиснення вуглецю є СО2. В сполуці з вуглецем кисень повертається у зовнішнє середовище, щоб знову надійти у фотосинтезуючі організми. Оскільки вивільнення енергії з органічних і неорганічних сполук супроводжується розщепленням їх у процесі окиснення, то колообіг кисню забезпечує колообіг усіх біогенних елементів. Так створюються колообіг біогенних елементів і потік енергії в межах сукупності організмів. Постійне надходження енергії живить цей циклічний процес і компенсує неминучу втрату енергії із системи у вигляді теплового випромінювання. Внаслідок колообігу речовин у біосфері відбувається безперервна біогенна міграція елементів. Необхідні для життя рослин і тварин хімічні елементи переходять із середовища в організм. Під час руйнування організмів ці елементи знову повертаються в середовище, звідки надходять в організм або відкладаються у вигляді біогенних геологічних порід (тобто колообіг речовин у природі замкнений не повністю).

У біогенній міграції елементів беруть участь різні організми, в тому числі й людина. В зв'язку з цим міграцію біогенних елементів поділяють на три типи: перший (найпотужніший) здійснюють мікроорганізми, другий — багатоклітинні організми, третій — людина, що оволоділа різними формами енергії (механічною, електричною, атомною) і тим самим сприяла значній зміні біогенної міграції елементів. В. І. Вернадський зазначав, що біогенна міграція зумовлена трьома процесами життєдіяльності: обміном речовин в організмах, ростом і розмноженням їх. Із неживої природи атоми біогенних елементів насамперед вбираються рослинами, а від них по ланцюгах живлення переходять до тварин і людини.

Біогеохімічні процеси в біосфері пов'язані з діяльністю людини. З появою людини біосфера набула нової якості. Діяльність людини — потужний екологічний фактор. У сучасний період існування нашої планети найбільші перетворення в біосфері здійснює саме людина. Розорювання значних територій, створення великих населених пунктів і промислових підприємств, добування корисних копалин, спорудження каналів, водосховищ, зміна русел річок, насаджування лісів — всі ці дії людини значно змінюють природу. Діяльність людини відбивається на зміні клімату, рельєфу місцевості, видового і чисельного складу флори і фауни. Використання атомної енергії спричинило нагромадження радіоактивних речовин в атмосфері і Світовому океані.

Видобутком із надр і спалюванням вугілля, нафти, газу, видобуванням руди і виплавлянням чистих металів, створюванням сплавів і синтетичних речовин, яких не існувало в природі, і нових хімічних елементів, розсіюванням, нарешті, продуктів своєї діяльності людина значно посилила біогенну міграцію елементів.

Організми, які входять до складу біогеоценозу, утворюють в ньому складний взаємопов’язаний комплекс. Одним із факторів, що об’єднує живе населення біогеоценозу в єдине ціле, виступають харчові зв’язки організмів. Завдяки харчовим зв’язкам у біогеоценозі здійснюється трансформація біогенних речовин, акумуляція енергії та її розподіл між видами (популяціями). Чим багатший видовий склад біогеоценозу, тим різноманітніші напрями і швидкість потоку речовин і енергії всередині нього. Канали, яким через угруповання тече постійний потік енергії, називають ланцюгами живлення. Вони прямо чи опосередковано об’єднують всі організми в єдиний комплекс. Виявити окремі харчові ланцюги в біогеоценозі можна шляхом спостереження за живленням або шляхом визначення складу харчової маси, що міститься в кишківнику та шлунку впійманих тварин. Прослідкувати ланцюг живлення можна також методом «мічених атомів».

Першою ланкою в ланцюгу живлення зазвичай є рослини. Друга ланка – рослиноїдні види, а до них відповідно мають відношення паразити та хижаки. Вони теж можуть мати своїх паразитів та хижаків.

Ланцюги живлення можуть розвиватися на основі хижацтва, паразитування або розкладання органічних сполук мертвих тіл. В зв’язку з цим бувають ланцюги виїдання (хвоя сосни – сосновий шовкопряд – велика синиця – яструб – пухоїд) і ланцюги розкладання (кормові виділення зелених рослин – бактерії, що живляться ними).

Довжина ланцюгів живлення зазвичай невелика: в окремих випадках, якщо не рахувати некрофагів і сапрофагів, у нього входить лише дві ланки (конюшина і паразитуюча на ній повитиця). В деяких випадках ланцюг живлення може містити 4 – 5 і навіть 6 – 7 ланок (включаючи над паразитів). Проте кількість ланок в ланцюзі живлення обмежується правилом піраміди чисел: загальна кількість біомаси кожної наступної ланки в ланцюзі живлення зменшується. Доведено, що лише 1/10 речовин та енергії іде на побудову біомаси кожної наступної ланки, а решта її втрачається: розсіюється на теплове випромінювання, запасається у вигляді гумусу і органічних решток, донних відкладень водойм тощо. Однак біомаса, яка випала з якоїсь ланки одного ланцюга живлення, стає основою для інших ланцюгів.

Правило піраміди в екології поширюється на масу, енергію та чисельність видів чи представників окремих видів. Тому виділяють відповідно піраміди біомаси, енергії та чисел.

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ЗАДАЧ

Задача 1. Користуючись правилом екологічної піраміди визначити, яка площа (в га) біоценозу може прогодувати одну особину останньої ланки в ланцюгу живлення: - планктон-риба-тюлень (300 кг); - планктон-нехижі риби-щука (10 кг). Суха біомаса планктону з 1кв.м становить 600 г за рік. Із вказаної у дужках маси 60% становить вода.

1). Визначаємо суху масу тюленя:

300 кг --- 100%

х кг ---- 40%

х = 120 кг

2). На підставі правила екологічної піраміди визначаємо, скільки потрібно планктону:

планктон – риб – тюлень

12000кг – 1200кг – 12кг

3). Визначаємо площу даного біоценозу, якщо відомо, що суха біомаса планктону з 1 кв.м становить 600 г.

Отже, 1 кв.м ----0,6 кг

х кв.м ---- 1200 кг

х = 20000 кв.м = 2 га

Відповідь: необхідно 2 га планктону.

Задача 2. Поясніть, чому ланцюг живлення має не більше 4 – 5 ланок.

У ланцюгу живлення при перенесенні речовини і енергії від однієї ланки до наступної більша частина (близько 90%) втрачається, тому кількість ланок (видів) рідко буває більшою, ніж 4 – 5. Чим довший ланцюг, тим менша продуктивність його останньої ланки відносно початкової.

Задача 3. З якою ефективністю використовує кукурудза енергію сонячного проміння, якщо 1 га кукурудзяного поля отримує протягом дня 210 000 кДж енергії, а за добу у вигляді приросту сухої речовини накопичується 4830 кДж енергії? Як використовується решта енергії?

Ефективність використання сонячної енергії кукурудзою можна встановити з пропорції:

210 000 кДж – 100%,

4830 кДж – х,

х = = 2,3%.

Відповідь: кукурудза накопичує лише 2,3% енергії сонячного проміння, решта енергії розсіюється, забезпечує теплове випромінювання та транспірацію.

Задача 4. Маса сіна з 1 га становить 200 г, а з вико-вівсяного поля – 500 г. За правилом екологічної піраміди визначте, яка площа лугу чи вико-вівсяного поля потрібна, щоб прогодувати протягом року людину масою 52 кг, 63%з яких складає вода, якщо ланцюг живлення має вигляд: сіно – корова – людина?

По-перше, встановимо масу сухої речовини в тілі людини:

52 кг – 100%,

х – 63%,

х = = 32,76, m(сухої речовини) = 52 – 32,76 = 19,24 кг.

По-друге, складемо ланцюг живлення:

трава (сіно) – корова – людина

1924 кг – 192,4 кг – 19,24 кг

По-третє, встановимо площу лугу або поля:

S(лугу) = = 9620 м² = 0,96 га

S(поля) = = 3848 м² = 0,38 га.

Задача 5. Протягом вегетаційного періоду 1 га кукурудзяного поля поглинає 76 650 000 кДж енергії, з яких лише 2,3% акумулюється у вигляді приросту простої речовини. Яка площа такого поля потрібна, щоб прогодувати протягом року одну людину, якщо добова потреба людини в енергії 5 000 кДж?

1) Яка кількість енергії необхідна людини протягом звичайного року?

365 · 5 000 = 1 825 000 кДж.

2) Яка кількість енергії акумулювалася в сухій речовині кукурудзи?

76 650 000 кДж – 100%,

х – 2,3%,

х = = 1 762 950 кДж.

3) Який ланцюг живлення?

кукурудза – корова – людина

185 200 000 кДж – 18 520 000 кДж – 1 852 000 кДж

4) Яка площа кукурудзяного поля?

S(поля) = = 103,5 га.

Відповідь: потрібно 103,5 га поля.

ЗАДАЧІ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗУВАННЯ:

Задача 1. За правилом екологічної піраміди визначити, яка площа відповідного біогеоценозу необхідна, щоб з неї могла прогодуватися одна особина останньої ланки в ланцюзі живлення:

а) планктон – синій кит (жива маса 100 т);

б) планктон – риба – тюлень (300 кг);

в) планктон – нехижі риби – щука (10 кг);

г) планктон – риба – тюлень – білий ведмідь (500 кг);

д) планктон – риба – рибоїдні птахи – орлан-білохвіст (5 кг);

е) рослини – заєць – лисиця – вовк (50 кг);

є) рослини – безхребетні тварини – короп (3 кг).

Із вказаної в дужках маси 60% становить вода. Біопродуктивність 1 м² відповідного біогеоценозу: планктон – 600г сухої маси, рослинність наземна – 200г, донна рослинність – 1000г.

Задача 2. Яка площа водойми у га може прогодувати білого пелікана масою 10 кг з масовою часткою води у тілі 60% у ланцюгу живлення планктон – риба – пелікан? Біопродуктивність 1 м² водойми складає 600 г органіки (сухої речовини).

Задача 3. Встановіть продуктивність біогеоценозу (кг/га і кДж/га), якщо 1 м² його дає у переахунку на суху масу 443 г культурних рослин, 456 г бур’янів і 231 г безхребетних тварин. Енергетичні показники біогеоценозу: 1 г сухої рослинної речовини акумулює в середньому 20 кДж енергії, 1 г тваринної – 21 кДж енергії.

Задача 4. Маса сіна з 1 га луки складає 200 г, з вико-вівсяного поля – 500 г. За правилом екологічної піраміди встановіть, яка площа луки чи вико-вівсяного поля треба, щоб прогодувати протягом року людину масою 54 кг (масова частка води в тілі 63%). Ланцюг живлення: трава – корова – людина.

Задача 5. Скільки потрібно фітопланктону, щоб у Чорному морі виріс дельфін білобочка масою 300 кг. Біопродуктивність 1 м² водного біогеоценозу з планктоном – 600г сухої маси, масова частка води у тілі дельфіна – 60%.

Задача 6. Користуючись правилом екологічної піраміди, визначити, скільки га лугів потрібно, щоб прохарчувати людину масою 58 кг (із них 66% становить вода). Суха біомаса трави з 1 кв.м становить 200 г на рік. Ланцюг живлення: сіно – корова – людина.

Задача 7. Яка площа акваторії моря потрібна для прогодування чайки, маса тіла якої 1 кг, масова частка води 60%, у ланцюзі живлення: фітопланктон – риба – чайка? Продуктивність фітопланктону – 500 г сухої речовини на1 м².

Задача 8. Біомаса планктону складає 400 г з 1м². За правилом екологічної піраміди встановіть площу відповідного біогеоценозу, в якому може вирости і прогодуватися пара судаків масою 4 кг кожен (масова частка води в тілі 60%). Ланцюг живлення: планктон – рослиноїдні риби – судак.

Задача 9. У савані біомаса рослинності складає 750 г на 1 м², з них вода складає 70%. Встановіть площу савани, яка може прогодувати лева масою 250 кг (масова частка води в тілі 70%) у ланцюзі: трава – парнокопитні – лев.

Задача 10. Біомаса планктону – 400 г/м². Визначте площу акваторії, в якій може прогодуватися морський леопард масою 300 кг (масова частка води в тілі 60%) у ланцюзі живлення: планктон – риби – пінгвіни – морський леопард.

Задача 11. У 5 · 10⁶ м³ відкритого океану протягом року розвивається 200т фітопланктону і зоопланктону. Чи достатньо цього об’єму води для існування одного кита-горбача, якщо приріст ваги його тіла за цей час складає 2 т?

Задача 12. Середня маса однорічної рудої лисиці складає 20,5 кг. Припустимо, що у віці 1 місяць при масі тіла 500 г вона перейшла на харчування виключно куріпками (маса тіла 800 г). Яку кількість куріпок вона має з’їсти, щоб досягти маси однорічної лисиці.

Задача 13. Середня маса однорічної рудої лисиці складає 20,5 кг. Припустимо, що у віці 1 місяць при масі тіла 500 г вона перейшла на харчування виключно куріпками (маса тіла 800 г). Яка площа лісостепу потрібна для того, щоб забезпечити лисицю харчуванням, якщо продуктивність рослинної біомаси становить 2т/га за рік?

Задача 14. Чорні стрижі живляться виключно рослиноїдними комахами. Кожен із дорослих стрижів має масу 55 г. Пташеня при вилупленні із яйця має масу тіла 5 г. Пара стрижів вигодовує трьох пташенят протягом 60 днів, при чому масова частка рослиноїдних комах становить в їх раціоні 75%. За правилом екологічної піраміди встановіть, яка маса рослин стала базою для харчування цих пташенят?

Задача 15. Середня маса маляти хохулі становить 10 г, дорослої особини – 460 г. Цієї ваги хохуля досягає у віці 6 місяців. Харчова база хохуль – водяні безхребетні (80%) і рослини (20%). Річний приріст рослинної маси в заплаві річки складає 2 т/га. Яку площу заплави потрібно для досягнення хохулею дорослого віку?

ХІД РОБОТИ:

ВАРІАНТ ________________

ВИСНОВОК: У висновку дайте відповіді на питання:

1. Що називають біологічним коло обігом речовин?

2. Які причини його викликають?

3. В чому сутність хімічних функцій живої речовини?

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 8

ТЕМА: Порівняння поновлюваних та не поновлюваних ресурсів біосфери.

МЕТА: Закріпити знання про природні ресурси, основні ознаки, за якими їх характеризують. Скласти порівняльну характеристику різних видів природних ресурсів.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Природними ресурсами називають компоненти та сили природи, що використовуються або можуть бути використані як засоби виробництва та предмети споживання для задоволення матеріальних і духовних потреб суспільства, підвищення якості життя людей.

Існують різні підходи до класифікації природних ресурсів. В основі природних класифікацій знаходяться відмінності природних ресурсів за генезисом і належністю до тих чи інших компонентів і сил природи. Оскільки природні ресурси – це природні тіла, компоненти географічної оболонки Землі, то вони мають природну класифікацію. Тому, виходячи з належності до природних систем і розміщення, природні ресурси поділяють на такі групи:

- за належністю до природних систем: космічні (проміння, метеорити), планетарні (геліоенергія, енергія гравітації), ресурси Землі (атмосфера, гідросфера, літосфера);

- за відношенням до природних систем: елементи природних систем (мінерали, ґрунти, види флори та фауни) та результати їх функціонування (приріст біологічної маси, зростання родючості ґрунтів тощо);

- за видом і тривалістю кругообігу: ті, що перебувають у довготривалому кругообігу (космічному, геологічному), і ті, що перебувають у короткотривалому (наприклад, біологічний кругообіг води);

- за характером розміщення на поверхні землі: відносно рівномірно розподілені (атмосфера, біосфера) та розосереджені (гідросфера, літосфера, їх окремі компоненти);

- за можливістю переміщення по території: ті, що переміщуються природно (повітряні маси, вода, тварини), і ті, що не переміщуються (рослини);

- за видами: мінеральні, кліматичні, водні, земельні лісові, рекреаційні тощо.

Природна класифікація не показує місця тієї чи іншої групи природних ресурсів в процесі суспільного відтворення. Довгий час природні ресурси вивчалися лише переважно природничими науками, тому їх класифікація була заснована на таких критеріях, як форма природних речовин, їх розміщення, ступінь вивченості тощо. Тільки в силу порушення екологічної рівноваги вони стали об’єктом вивчення економіки, у зв’язку з чим з’явилася потреба у класифікації природних ресурсів і за критерієм господарського використання. За цією ознакою їх ділять на такі групи:

- за територіальною належністю: світові або глобальні та національні, тобто пов’язані з певною територією;

- за вичерпністю: вичерпні і невичерпні.

Вичерпні природні ресурси – це ті, які при їх видобутку та використанні не відтворюються природою або відтворюються значно повільніше, ніж використовуються. Вони в свою чергу діляться на відновні і невідновні (відтворювані і не відтворювані). До не відтворюваних належать, наприклад, багатства надр. Їх використання можливе лише раз, і воно неминуче призводить до виснаження їх запасів. Поповнення цих запасів неможливе, оскільки відсутні умови, в яких вони виникали мільйони років, або може відбуватися, але надто повільно.

Природні ресурси, існування яких не обмежене часом, називають невичерпними. При будь-якій інтенсивності їх споживання їх кількість не вичерпується, або зменшується так повільно, що цією величиною на практиці нехтують. До них можна віднести енергію Сонця, вітру, припливів та відпливів, вітрових хвиль, течії річок тощо.

Таким чином, за цією ознакою природні ресурси можна поділити на групи:

невичерпні	вичерпні
відновні	невідновні
мінеральні
енергія Сон-ця, енергія вітру, при-пливів і від-пливів, вітро-ві хвилі, те-чія річок тощо	чисте повітря чиста прісна вода, родючі ґрунти, флора, фауна тощо	паливні	рудні	нерудні

- за напрямом використання: паливно-енергетичні, мінерально-сировинні, продовольчі тощо;

- за рівнем вивченості: прогнозовані, виявлені, детально вивчені;

- за можливістю використання: недоступні, резервні, можливі для використання, ті, що використовуються;

- за характером використання: одноцільового (мінеральні) та багатоцільового (лісові, водні, земельні);

- за впливом на них виробництва: зазнають значного шкідливого впливу (біологічні), зазнають незначного впливу (поверхня літосфери), не зазнають впливу (глибинні шари літосфери).

У господарському відношенні можливі для експлуатації природні ресурси можна поділити на такі групи: зовнішні (енергія Сонця, гравітація), поверхні Землі (бувають фізичні та біологічні), земних глибин.

За цільовим призначенням ресурси ділять на матеріальні, пізнавальні, естетичні, рекреаційні тощо.

За рівнем значимості для людини їх ділять на вкрай необхідні (повітря, вода, їжа) і відносно байдужі.

ХІД РОБОТИ:

Заповніть порівняльну таблицю:

Ознаки	Види ресурсів
Енергія Сонця	Прісна чиста вода	Паливні корисні копалини
Який вид матерії представляє (жива, біогенна, біокосна, косна)?
До якої групи належить за вичерпністю?
Відновний чи не відновний?
Як характеризується за рівнем вивченості?
Як характеризується за можливістю використання?
Як характеризується за впливом виробництва?
Як характеризується за характером використання?
Як характеризується за територіальною приналежністю?

ВИНОВОК: У висновку зазначте, що називають природними ресурсами?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Як ви охарактеризуєте вказані групи ресурсів за цільовим призначенням та рівнем необхідності для життя людини?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 9

ТЕМА: Порівняння природного і штучного добору. Аналіз пристосувань організмів до умов середовища

МЕТА: Уточнити і систематизувати знання студентів про природний та штучний добір як фактори еволюції. Встановити спільне та відмінне у них. Удосконалювати навички аналізу і синтезу, вміння роботи з літературою. Уточнити і систематизувати знання студентів про біоадаптацію як результат еволюційного процесу. Вчити розпізнавати різні форми пристосування, наводити приклади.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

Чарльз Дарвін доводив, що всі без винятку сорти рослин і породи тварин служать для задоволення певних потреб людини – економічних або естетичних При цьому вони відрізняються один від одного насамперед особливостями, які цікавлять людину. У різних сортів буряка листя, плоди і насіння практично однакові, а от коренеплоди різні за формою, кольором, вмістом цукру тощо. У капусти велику різноманітність мають листки, у бузку – квіти і суцвіття, у квасолі – насінини тощо.

Аналізуючи методи роботи селекціонерів, Дарвін прийшов до висновку, що створення нових порід і сортів базується на використанні людиною трьох факторів: мінливості, спадковості, добору. Переконавшись в цьому, він далі довів, що у природі ту ж роль виконують спадкова мінливість і добір. І зумовлюють ці фактори в природі формування видів, еволюцію органічного світу і пояснюють доцільність будови і функцій тварин і рослин.

Добір, який використовує людина, Дарвін назвав штучним. Під цим він розумів процес створення нових порід тварин і сортів культурних рослин шляхом систематичного збереження особин з певними цінними для людини ознаками і властивостями в ряді поколінь і шляхом сприяння їхньому розмноженню. Цієї мети можна досягти не тільки відбором кращих, а і усуненням (елімінацією) тих, що менше задовольняють потребам людини.

Таким чином, механізм штучного добору за Дарвіним включав у себе наступні етапи:

- виділення окремих особин з ознаками, що цікавлять людину, їх схрещування;

- добір особин, що успадкували від батьків бажані для людини ознаки;

- розмноження особин з корисними для людини ознаками;

- розвиток бажаної ознаки, її закріплення.

При створенні культурних форм спочатку діяв несвідомий добір, а потім – методичний. Виділяють наступні форми штучного добору: масовий, що зводиться до виділення з вихідного матеріалу цілої групи особин з бажаними для селекціонера ознаками, та індивідуальний, який зводиться до виділенні окремих особин з цікавими для селекціонера ознаками і одержання від них потомства.

У природі Дарвін відкрив природний добір. На противагу штучному, коли нагромаджуються ознаки, корисні для людини, у процесі природного добору нагромаджувалися ознаки, корисні для окремого організму чи виду, до якого він відноситься. У процесі еволюції природний добір робить організми все більш пристосованими до тих умов, у яких існують особини даного виду. Таким чином, природний добір – це виживання найбільш8 пристосованих і загибель найменш пристосованих до даних конкретних умов існування. Оскільки умови ці змінні, то доцільність природного добору не абсолютна: при зміні умов ці пристосування можуть стати невигідними, шкідливими, і привести навіть до загибелі особин. Проте для виду в цілому від цього буде лише вигода.

Особливою формою добору є статевий добір. Він може полягати у тому, що самці борються за прихильність самок або конкурують між собою за певними зовнішніми ознаками. В першому випадку боротьба пряма: турніри оленів, морських слонів тощо. В другому випадку конкуренція менш жорстка: співи птахів, забарвлення шерсті або пір’я, поява спеціальних утворень в період підготовки до спарювання тощо. Це проявляється, зокрема, у формі статевого диморфізму: особини статі, яку обирають, зафарбовані яскравіше, більші за розмірами, краще співають і таке інше.

Виділяють наступні форми природного добору: рушійний (або прямий чи провідний), стабілізуючий та розриваючий (або дизруптивний).

Рушійний добір описав Дарвін, а сучасне формулювання і трактовку розробив Дж. Сімпсон. Його сутність полягає в тому, що він обумовлює постійну зміну пристосувань видів відповідно до зміни умов довкілля. Наприклад, вторинноводні тварини (кити, тюлені тощо) могли виникнути від предка, що жив на суходолі у вологій місцевості, тому з часом пристосовувався до підняття рівня води аж до переходу до водного способу життя.

Стабілізуючий добір описав І.І.Шмальгаузен. Сутність цієї форми добору полягає в тому, що у незмінних умовах існування відсікаються форми, що носять крайній прояв ознаки. Тоді збільшується кількість особин, які мають прояв ознаки в межах середньої норми реакції. Наприклад, комахи-запилювачі чітко пристосовані до будови квітки того виду рослин, з якої вони збирають нектар. Конюшину, зокрема, дуже важко запилити бджолі, а от джмелю – до снаги.

Розриваючий добір спрямований проти проміжних форм. Якщо умови зовнішнього середовища суттєво змінилися і це призвело до загибелі значної частини особин виду, то, як правило, гинуть ті особини, що несли середній прояв ознаки, близький до норми реакції. Тоді переваги отримують носії крайніх проявів ознаки. Це в кінцевому результаті може призвести навіть до формування різних підвидів. Наприклад, на невеликих островах Океанії, де панують сильні вітри, представлені комахи і птахи або зовсім безкрилих форм, або з великими крилами, що можуть протистояти силі вітру. Середньокрилих форм немає взагалі, бо вони не змогли б боротися з силою вітру.

Природний добір – процес історичний. Його дія виявляється через багато поколінь, коли малопомітні індивідуальні зміни підсумовуються, комбінуються, стають характерними адаптивними ознаками груп організмів: популяцій, видів. З цього приводу Дарвін писав: «Висловлюючись метафорично, природний добір щодня, щогодини розслідує по усьому світу дрібні зміни, відкидаючи погані, зберігаючи і складаючи гарні, працюючи нечутно, невидимо, де б і коли б тільки не сталася для цього нагода, над удосконаленням кожної органічної істоти стосовно умов її життя, органічних та неорганічних».

Обставини, що сприяють природному добору:

а) кількість особин та їх різноманітність;

б) частота мутацій;

в) інтенсивність розмноження;

г) частота зміни поколінь;

д) розміри ареалу та відмінності умов існування виду всередині нього;

е) ізоляція, що унеможливлює вільне схрещування.

Відкривши природний добір, Дарвін зміг матеріалістично пояснити біологічну доцільність, яка властива живим організмам. Вона має відносний характер: будова і функції організмів не можуть бути доцільними взагалі, поза зв’язком з тими умовами, де живе організм. Наприклад, заєць-біляк восени линяє, але за умови відсутності снігу його біле хутро навпаки стає добре помітним, а яйця аскарид, добре захищені від кишкових соків і лужного середовища, швидко гинуть від за відсутності вологи і високої температури.

Природний і штучний добір мають спільні та відмінні ознаки. До перших відноситься те, що основою обох процесів є спадкова мінливість, яка дає матеріал для добору. Також результатом обох процесів є утворення нових форм: породи, сорти, штами утворюються при штучному доборі, а нові види – в природному.

Але істотною відмінністю є те, що в процесі штучного добору людина відбирає ті особини, ознаки яких задовольняють її потреби; для виду ж у цілому вони не лише не корисні, а часто просто шкідливі. Наприклад, як би у природі могли вижити коротконога вівця-меринос або майже безшерсті породи свиней, що до того ж мають масу тіла, яку їм важко утримувати на ногах? У природному ж доборі відбірним фактором є умови середовища існування організмів; добираються будь-які життєво важливі ознаки організмів; як наслідок природний добір діє виключно на користь популяції та виду в цілому, хоч окремим особинам від цього не завжди добре. Наприклад, переможений під час двобою олень не залишить по собі потомства, але в цілому для популяції це вигідно: залишаться нащадки більш сильної особини, носії його генів.

Штучний добір почав діяти з того часу, як людина почала одомашнювати тварин і займатися землеробством, а природний діє протягом всієї історії органічного світу.

Проте вони органічно пов’язані: на сорти і породи, створені внаслідок штучного добору, теж діють умови довкілля, а отже, і природний добір.

Біологічним системам на різних рівнях організації властива адаптація. Під адаптацією розуміється процес пристосування до умов середовища. Всі живі істоти і їхні угруповання пристосовані до географічних, фізичних, хімічних, біологічних умов середовища.

Адаптація виникає і розвивається на базі спадкової програми організму і здатності змінюватися під впливом природного добору. У результаті добору у кожному середовищі існування виживали тільки ті форми організмів, генотипи яких забезпечували існування потомків у даних конкретних умовах. Так з'явилися пристосування організмів до існування в горах, пустелях або в океані, у полярних чи екваторіальних широтах.

З іншого боку, життя в певних умовах пов’язане з коливанням факторів навколишнього середовища на протязі індивідуального життя особини. Генотипом запрограмовано, що всі організми мають адаптивні можливості змінюватися в певних межах, пристосовуватися до змінюваних факторів середовища, як правило, зберігаючи постійність гомеостазу. Часто адаптивні можливості у процесі індивідуального життя зростають у результаті тренування.

У основі адаптацій на рівні клітин, органів і організмів лежать явища подразливості з характерними для нього адекватними реакціями. Без адаптивних реакцій життя ні в якому разі не можливе.

На рівні організму при різкій зміні навколишнього середовища адаптації дозволяють вижити у результаті перебудови фізіологічних функцій і поведінки.Вони спрямовані на підтримання гомеостазу.

При різкому погіршенні умов існування (низька температура, відсутність достатньої вологості тощо) деякі організми переходять в особливий стан анабіозу. При цьому життєві процеси тимчасово припиняються, або вони так уповільнені, що видимі прояви життя відсутні. При настанні сприятливих умов відбувається відновлення нормального рівня життєдіяльності. Явище анабіозу зустрічається у різних формах у багатьох організмів.

Адаптації зберігаються і удосконалюються добором. У цьому проявляється його творча роль. При зміні умов існування адаптації часто втрачають своє пристосувальне значення. Це вказує на їх відносний характер. Пристосованість видів, вироблена добором, не може бути абсолютною, оскільки вона завжди відносна і корисна лише в тих умовах середовища, в яких відбувався природний добір. Наприклад, форма тіла, органи дихання та інші особливості риб корисні лише за умови існування у водному середовищі, а в наземно-повітряному вони навпаки шкідливі.

Будь-які форми добору приводять до адаптації – відповідності будови, функцій, поведінки живих організмів середовищу існування. Нові адаптивні пристосування часто зумовлені наявністю структур, які раніше виконували інші функції. Наявність таких структур, які розширюють або змінюють свої функції, називають перед адаптацією.

Розрізняють адаптації активні і пасивні. До пасивних відносяться інтенсивне розмноження, захисне і попереджувальне забарвлення тощо. До активних – розвиток нервової системи, органів чуттів, органів руху тощо.

Розглянемо деякі прояви пристосованості організмів до умов існування.

- Плідність. Найбільш численне потомство у тих видів, у яких воно масово знищується або вони не проявляють турботи про потомство.

- Захисне забарвлення. Дозволяє злитися з оточенням і жертві, і хижаку.

- Погрозливе забарвлення. Застосовується видами, що мають отруйні залози, жалкі клітини, неприємний запах, отрути тощо. Попереджає хижака: я небезпечний.

- Погрозливі пози. Аналогічно попередньому, але більше притаманні тваринам. Наприклад, кобра розкриває «каптур».

- Наслідування (мімікрія). Форма тіла і забарвлення нагадує інші види, небезпечніші за даний. Наприклад, мухи-осовидки.

- Інстинкти тварин. Харчові, оборонні, статеві, турбота про потомство. Вони є сукупністю складних вроджених реакцій організму у відповідь на зовнішні чи внутрішні подразнення і забезпечують виживання виду в цілому в змінних умовах середовища.

ХІД РОБОТИ:

І. Віднесіть кожен із випадків до відповідної графи таблиці «Форми природного добору»:

рушійний	стабілізуючий	розриваючий

1. Існує корелятивна залежність між розмірами і формою нектарників і тичинок квітів квіткових комахозапильних рослин та особливостями будови тіла комах-запилювачів.

2. Безкрилі або довгокрилі особини птахів живуть на дрібних океанських островах, а середньокрилих немає.

3. У передмісті Манчестера темнокрила форма березового п’ядуна витіснила світлокрилу приблизно за 20 років, коли внаслідок інтенсивної роботи металургійних підприємств кора беріз потемніла.

ВИСНОВОК: У висновку дайте визначення всіх форм природного добору, вкажіть (по можливості), хто розробляв положення про кожну з форм.

ІІ. Заповніть таблицю «Види добору»:

Ознаки	Види добору
штучний	природний
1. Які фактори діють?     2. Що дає матеріал для добору?     3. Що є результатом дії добору?     4. Які ознаки зберігаються?     5. Чиї потреби задоволь-няються (на чию користь діє добір)?   6. Хто проводить добір?   7. З яких часів добір відбувається?     8. Які форми добору вам відомі?

ВИСНОВОК: У висновку дайте визначення природного і штучного добору і вкажіть спільні та відмінні риси обох видів добору.

ІІІ. Дайте відповідь на контрольні запитання:

1. Самка риби-місяця відкладає близько 300 млн. ікринок, а риби-колюшки – всього 130-180. В чому причина? Яка це форма пристосування? До активних чи пасивних воно відноситься?

2. Встановіть характер пристосування до розмноження у таких рослин: клен, липа, кульбаба, череда.

3. Визначте характер пристосованості до середовища існування таких рослин: верблюжа колючка, росичка (перша з них росте в пустелях і має коріння довжиною до 20 метрів, а друга росте на болотистих, бідних органікою грунтах і полює на комах).

4. З’ясуйте характер пристосованості до роду їжі у тварин жуйних, гризунів, хижаків.

5. Поясніть, як забарвлення таких комах, як колорадський жук, сонечко семикрапкове, оса і бджола забезпечує їх пристосування до умов існування.

IV. Заповніть таблицю:

Типи адаптацій	Приклади організмів
Захисне забарвлення     Захисна форма тіла     Попереджувальне забарвлення     Попереджувальна форма тіла     Попереджувальна поведінка     Мімікрія

ВИСНОВОК: У висновку дайте визначення адаптацій, види адаптацій, наведіть приклади форм адаптацій. Поясніть причину їх відносності.