12.7. Поток энергии в экосистемах

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот вещества в экосистемах, т. е. существование экосистем, зависит от постоянного притока энергии, необходимой всем организмам для их жизнедеятельности и самовоспроизведения (рис. 12.19).

Рис. 12.19. Поток энергии в экосистеме (по Ф. Рамаду, 1981)

В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным блокам экосистемы, которые всегда могут повторно использоваться, входить в круговорот, энергия может быть использована только раз, т. е. имеет место линейный поток энергии через экосистему.

Одностороний приток энергии как универсальное явление природы происходит в результате действия законов термодинамики. Первый закон гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена. Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Определенное количество энергии в таких превращениях рассеивается в недоступную тепловую энергию, а следовательно, теряется. Отсюда не может быть превращений, к примеру, пищевых веществ в вещество, из которого состоит тело организма, идущих со 100-процентной эффективностью.

Таким образом, живые организмы являются преобразователями энергии. И каждый раз, когда происходит превращение энергии, часть ее теряется в виде тепла. В конечном итоге вся энергия, поступающая в биотический круговорот экосистемы, рассеивается в виде тепла. Живые организмы фактически не используют тепло как источник энергии для совершения работы - они используют свет и химическую энергию.

Пищевые цепи и сети, трофические уровни. Внутри экосистемы содержащие энергию вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей для гетеротрофов. Пищевые связи - это механизмы передачи энергии от одного организма к другому.

Типичный пример: животное поедает растения. Это животное, в свою очередь, может быть съедено другим животным. Таким путем может происходить перенос энергии через ряд организмов - каждый последующий питается предыдущим, поставляющим ему сырье и энергию (рис. 12.20).

Рис. 12.20. Биотический круговорот веществ: пищевая цепь

(по А. Г. Банникову и др., 1985)

Такая последовательность переноса энергии называется пищевой (трофической) цепью, или цепью питания. Место каждого звена в цепи питания является трофическим уровнем. Первый трофический уровень, как уже было отмечено ранее, занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего - вторичными консументами и т. д.

Обычно различают три типа пищевых цепей. Пищевая цепь хищников начинается с растений и переходит от мелких организмов к организмам все более крупных размеров. На суше пищевые цепи состоят из трех-четырех звеньев.

Одна из простейших пищевых цепей имеет вид (см. рис. 12.5):

растение -> заяц -> волк

продуцент -> травоядное -> плотоядное

Широко распространены и такие пищевые цепи:

растительный материал (например, нектар) -> муха -> паук ->

сок розового куста -> тля -> божья (тлевая) коровка ->

-> паук -> насекомоядная птица -> хищная птица.

В водных и, в частности, морских экосистемах пищевые цепи хищников, как правило, длиннее, чем в наземных. Широко распространен тип пищевых отношений, представленный на рис. 12.21 и табл. 12.5.

Рис. 12.21. Пищевые цепи в наземной и водной экосистемах:

I - продуценты; II - травоядные; III, IV, V - плотоядные; 0 - деструкторы (из Ф. Рамада,1981)

Структура пищевой цепи в морской экосистеме

(по Ф. Рамаду, 1981)

Приведенные типы пищевых цепей начинаются с фотосинтезирующих организмов и носят название пастбищных (или цепи выедания, или цепи потребления).

Третий тип пищевых цепей, начинающихся с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных, относят к детритным (сапрофитным) пищевым цепям или к детритным цепям разложения. В детритных пищевых цепях наземных экосистем важную роль играют лиственные леса, большая часть листвы которых не употребляется в пищу травоядными животными и входит в состав подстилки из опавших листьев. Листья измельчаются многочисленными детритофагами - грибами, бактериями, насекомыми (например, коллембола) и т. д., дальше заглатываются земляными (дождевыми) червями, которые осуществляют равномерное распределение гумуса в поверхностном слое земли, образуя так называемый мулль (рис. 12.22).

Рис. 12.22. Детритная пищевая цепь в наземной экосистеме

(по Б. Небелу, 1993)

На этом уровне у грибов закладывается мицелий. Разлагающие микроорганизмы, завершающие цепь, производят окончательную минерализацию мертвых органических остатков. В целом типичные детритные пищевые цепи наших лесов можно представить следующим образом:

В рассмотренных схемах пищевых цепей каждый организм представлен как питающийся другими организмами какого-то одного типа. Реальные же пищевые связи в экосистеме намного сложнее, так как животное может питаться организмами разных типов из одной и той же пищевой цепи или из разных пищевых цепей, например, хищники верхних трофических уровней. Нередко животные питаются как растениями, так и другими животными. Их называют всеядными. Таким образом, все три типа пищевых цепей всегда сосуществуют в экосистеме так, что ее представители объединены многочисленными пересекающимися пищевыми связями, а все вместе они образуют пищевую (трофическую) сеть (рис. 12.23).

Пищевые сети в экосистемах весьма сложные, и можно сделать вывод, что энергия, поступающая в них, долго мигрирует от одного организма к другому.

Рис. 12.23. Пищевая сеть и направление потока вещества

(по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Экологические пирамиды. Внутри каждой экосистемы трофические сети имеют хорошо выраженную структуру, которая характеризуется природой и количеством организмов, представленных на каждом уровне различных пищевых цепей. Для изучения взаимоотношений между организмами в экосистеме и для их графического изображения обычно используют не схемы пищевых сетей, а экологические пирамиды. Экологические пирамиды выражают трофическую структуру экосистемы в геометрической форме. Они строятся в виде прямоугольников одинаковой ширины, но длина прямоугольников должна быть пропорциональна значению измеряемого объекта. Отсюда можно получить пирамиды численности, биомассы и энергии.

Экологические пирамиды отражают фундаментальные характеристики любого биоценоза, когда они показывают его трофическую структуру:

Их высота пропорциональна длине рассматриваемой пищевой цепи, т. е. числу содержащихся в ней трофических уровней;

Их форма более или менее отражает эффективность превращений энергии при переходе с одного уровня на другой.

Пирамиды численности. Они представляют собой наиболее простое приближение к изучению трофической структуры экосистемы. При этом сначала подсчитывают число организмов на данной территории, сгруппировав их по трофическим уровням и представив в виде прямоугольника, длина (или площадь) которого пропорциональна числу организмов, обитающих на данной площади (или в данном объеме, если это водная экосистема). Установлено основное правило, которое гласит, что в любой среде растений больше, чем животных, травоядных больше, чем плотоядных, насекомых больше, чем птиц, и т. д. (рис. 12.24).

Рис. 12.24. Упрощенная схема пирамиды численности

(по Г. А. Новикову, 1979)

Пирамиды численности отражают плотность организмов на каждом трофическом уровне. В построении различных пирамид численности отмечается большое разнообразие. Нередко они перевернуты (рис. 12.25).

Например, в лесу насчитывается значительно меньше деревьев (первичные продуценты), чем насекомых (растительноядные).

Рис. 12.25. Пирамиды численности:

1 - прямая; 2 - перевернутая (по Е. А. Криксунову и др., 1995)

Пирамида биомассы. Отражает более полно пищевые взаимоотношения в экосистеме, так как в ней учитывается суммарная масса организмов (биомасса) каждого трофического уровня. Прямоугольники в пирамидах биомассы отображают массу организмов каждого трофического уровня, отнесенную к единице площади или объема. Форма пирамиды биомассы нередко сходна с формой пирамиды численности. Характерно уменьшение биомассы на каждом следующем трофическом уровне (рис. 12.26 и 12.27).

Рис. 12.27. Типы пирамид биомассы в различных подразделениях

биосферы (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)

Пирамиды биомассы, так же как и численности, могут быть не только прямыми, но и перевернутыми. Перевернутые пирамиды биомассы свойственны водным экосистемам, в которых первичные продуценты, например фитопланктонные водоросли, очень быстро делятся, а их потребители - зоопланктонные ракообразные - гораздо крупнее, но имеют длительный цикл воспроизводства. В частности, это относится к пресноводной среде, где первичная продуктивность обеспечивается микроскопическими организмами, скорость обмена веществ которых повышена, т. е. биомасса мала, производительность велика.

Пирамида энергии. Наиболее фундаментальным способом отображения связей между организмами наразных трофических уровнях служат пирамиды энергии. Они представляют эффективность преобразования энергии и продуктивность пищевых цепей, строятся подсчетом количества энергии (ккал), аккумулированной единицей поверхности за единицу времени и используемой организмами на каждом трофическом уровне. Так, можно относительно легко определить количество энергии, накопленной в биомассе, и сложнее оценить общее количество энергии, поглощенной на каждом трофическом уровне. Построив график (рис. 12.28), можно констатировать, что деструкторы, значимость которых представляется небольшой в пирамиде биомассы, а в пирамиде численности наоборот; получают значительную часть энергии, проходящей через экосистему. При этом только часть всей этой энергии остается в организмах на каждом трофическом уровне экосистемы и сохраняется в биомассе, остальная часть используется для удовлетворения метаболических потребностей живых существ: поддержание существования, рост, воспроизводство. Животные также расходуют значительное количество энергии и для мышечной работы.

Рис. 12.28. Экологические пирамиды (по Е. Одуму, 1959):

а - пирамида численности; б - пирамида биомассы;

в - пирамида энергии.

Заштрихованные прямоугольники обозначают чистую продукцию

Рассмотрим более подробно, что происходит с энергией при ее передаче через пищевую цепь (рис. 12.29).

Рис. 12.29. Поток энергии через три уровня трофической

цепи (по П. Дювиньо и М. Тангу, 1968)

Ранее уже было отмечено, что солнечная энергия, полученная растением, лишь частично используется в процессе фотосинтеза. Фиксированная в углеводах энергия представляет собой валовую продукцию экосистемы (П в). Углеводы идут на построение протоплазмы и рост растений. Часть их энергии затрачивается на дыхание (Д 1). Чистая продукция (П ч) определяется по формуле:

Следовательно, поток энергии, проходящий через уровень продуцентов, или валовую продукцию, можно представить:

Определенное количество созданных продуцентами веществ служит кормом (К) фитофагов. Остальное как итог отмирает и перерабатывается редуцентами (Н). Ассимилированный фитофагами корм (А) лишь частично используется для образования их биомассы (Пд). Главным образом он растрачивается на обеспечение энергией процессов дыхания (Д) и в определенной степени выводится из организма в виде выделений и экскрементов (Э). Поток энергии, проходящий через второй трофический уровень, выражается следующим образом:

Консументы второго порядка (хищники) не истребляют всю биомассу своих жертв. При этом из того количества ее, которое они уничтожают, только часть используется на создание биомассы их собственного трофического уровня. Остальная же часть в основном затрачивается на энергию дыхания, выделяется с экскретами и экскрементами. Поток энергии, проходящий через уровень консументов второго порядка (плотоядные), выражается формулой:

Подобным образом можно проследить совокупность пищевой цепи и до последнего трофического уровня. Распределив по вертикали различные затраты энергии на трофических уровнях, получим полную картину пищевой пирамиды в экосистеме (рис. 12.30).

Рис. 12.30. Пирамида энергии (из Ф. Рамада, 1981):

Е — энергия, выделяемая с метаболитами; D — естественные смерти; W -фекалии; R — дыхание

Поток энергии, выражающийся количеством ассимилированного вещества по цепи питания, на каждом трофическом уровне уменьшается или:

Р. Линдеман в 1942 г. впервые сформулировал закон пирамиды энергий, который в учебниках нередко называют «законом 10%». Согласно этому закону с одного трофичес-когоуровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии.

Последующим гетеротрофам передается только 10-20% исходной энергии. Используя закон пирамиды энергий, нетрудно подсчитать, что количество энергии, доходящее до третичных плотоядных (V трофический уровень), составляет около 0,0001 энергии, поглощенной продуцентами. Отсюда следует, что передача энергии с одного уровня на другой происходит с очень малым КПД. Это объясняет ограниченное количество звеньев в пищевой цепи независимо от того или иного биоценоза.

Е. Одум (1959) в предельно упрощенной пищевой цепи — люцерна -> теленок -> ребенок оценил превращение энергии, проиллюстрировал величину ее потерь. Допустим, рассуждал он, имеется посев люцерны на площади 4 га. На этом поле кормятся телята (предполагается, что они едят только люцерну), а 12-летний мальчик питается исключительно телятиной. Результаты расчетов, представленные в виде трех пирамид: численности, биомассы и энергии (рис. 12.31 и 12.32), - свидетельствуют; что люцерна использует всего 0,24% всей падающей на поле солнечной энергии, теленком усваивается 8% этой продукции и только 0,7% биомассы теленка обеспечивает развитие ребенка в течение года*.

Рис. 12.31. Упрощенная экосистема: люцерна - телята - мальчик

(по Е. Одуму, 1959):

А - пирамида чисел; Б - пирамида биомассы; В - пирамида энергии

Е. Одум, таким образом, показал, что только одна миллионная доля приходящейся солнечной энергии превращается в биомассу плотоядного, в данном случае способствует увеличению массы ребенка, а остальное теряется, рассеивается в деградированной форме в окружающей среде. Приведенный пример наглядно иллюстрирует очень низкую экологическую эффективность экосистем и малый КПД при превращении в пищевых цепях. Можно констатировать следующее: если 1000 ккал (сут м 2) зафиксирована продуцентами, то 10 ккал (сут. м 2) переходит в биомассу травоядных и только 1 ккал (сут. м 2) - в биомассу плотоядных.

Поскольку определенное количество вещества может быть использовано каждым биоценозом неоднократно, а порция энергии один раз, то целесообразнее говорить, что в экосистеме происходит каскадный перенос энергии (см. рис. 12.19).

Консументы служат управляющим и стабилизирующим звеном в экосистеме (рис. 12.32). Консументы порождают спектр разнообразия в ценозе, препятствуя монополии доминантов. Правило управляющего значения консументов можно с полным основанием отнести к достаточно фундаментальным. Согласно кибернетическим воззрениям, управляющая система должна быть сложнее по структуре, чем управляемая, то становится ясной причина множественности видов консументов. Управляющее значение консументов имеет и энергетическую подоснову. Поток энергии, проходящий через тот или другой трофический уровень, не может абсолютно определяться наличием пищи в нижележащем трофическом уровне. Всегда остается, как известно, достаточный «запас», так как полное уничтожение корма привело бы к гибели потребителей. Эти общие закономерности наблюдаются в рамках популяционных процессов, сообществ, уровней экологической пирамиды, биоценозов в целом.

* Если бы мальчик в течение года питался только телятиной, то для этого потребовалось бы 4,5 теленка, а для их пропитания необходимо 2’Ю 7 растений люцерны.

Трофические уровни, типы, значение, схемы и определение пищевой цепи

Что такое пищевая цепь?

Каждый организм должен получать энергию для жизни. Например, растения потребляют энергию солнца, животные питаются растениями, а некоторые животные питаются другими животными.

Пищевая (трофическая) цепь - это последовательность того, кто кого ест в биологическом сообществе (экосистеме) для получения питательных веществ и энергии, поддерживающих жизнедеятельность.

Автотрофы (продуценты)

Автотрофы - живые организмы, которые производят свою пищу, то есть собственные органические соединения, из простых молекул, таких как углекислый газ. Существует два основных типа автотрофов:

• Хемоавтотрофы получают органические вещества благодаря химическим реакциям, в которых задействованы неорганические соединения (водород, сероводород, аммиак и т.д.). Этот процесс называется хемосинтезом.

Автотрофы являются основой каждой экосистемы на планете. Они составляют большинство пищевых цепей и сетей, а энергия, получаемая в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, поддерживает все остальные организмы экологических систем. Когда речь идет об их роли в пищевых цепях, автотрофы можно назвать продуцентами или производителями.

Гетеротрофы (консументы)

Гетеротрофы , также известные как потребители, не могут использовать солнечную или химическую энергию, для производства собственной пищи из углекислого газа. Вместо этого, гетеротрофы получают энергию, потребляя другие организмы или их побочные продукты. Люди, животные, грибы и многие бактерии - гетеротрофы. Их роль в пищевых цепях заключается в потреблении других живых организмов. Существует множество видов гетеротрофов с разными экологическими ролями: от насекомых и растений до хищников и грибов.

Деструкторы (редуценты)

Следует упомянуть еще одну группу потребителей, хотя она не всегда фигурирует в схемах пищевых цепей. Эта группа состоит из редуцентов, организмов, которые перерабатываю мертвые органические вещества и отходы, превращаяя их в неорганические соединения.

Редуценты иногда считаются отдельным трофическим уровнем. Как группа, они питаются отмершими организмами, поступающими на различных трофических уровнях. (Например, они способны перерабатывать разлагающееся растительное вещество, тело недоеденной хищниками белки или останки умершего орла.) В определенном смысле, трофический уровень редуцентов проходит параллельно стандартной иерархии первичных, вторичных и третичных потребителей. Грибы и бактерии являются ключевыми редуцентами во многих экосистемах.

Редуценты, как часть пищевой цепи, играют важную роль в поддержании здоровой экосистемы, поскольку благодаря им, в почву возвращаются питательные вещества и влага, которые в дальнейшем используется продуцентами.

Уровни пищевой (трофической) цепи

Схема уровней пищевой (трофической) цепи

Пищевая цепь представляет собой линейную последовательность организмов, которые передают питательные вещества и энергию начиная с продуцентов и к высшим хищникам.

Трофический уровень организма - это положение, которое он занимает в пищевой цепи.

Первый трофический уровень

Пищевая цепь начинается с автотрофного организма или продуцента , производящего собственную пищу из первичного источника энергии, как правило, солнечной или энергии гидротермальных источников срединно-океанических хребтов. Например, фотосинтезирующие растения, хемосинтезирующие бактерии и археи.

Второй трофический уровень

Далее следуют организмы, которые питаются автотрофами. Эти организмы называются растительноядными животными или первичными потребителями и потребляют зеленые растения. Примеры включают насекомых, зайцев, овец, гусениц и даже коров.

Третий трофический уровень

Следующим звеном в пищевой цепи являются животные, которые едят травоядных животных - их называют вторичными потребителями или плотоядными (хищными) животными (например, змея, которая питается зайцами или грызунами).

Четвертый трофический уровень

В свою очередь, этих животных едят более крупные хищники - третичные потребители (к примеру, сова ест змей).

Пятый трофический уровень

Третичных потребителей едят четвертичные потребители (например, ястреб ест сов).

Каждая пищевая цепь заканчивается высшим хищником или суперхищником - животным без естественных врагов (например, крокодил, белый медведь, акула и т.д.). Они являются «хозяевами» своих экосистем.

Когда какой-либо организм умирает, его в конце концов съедают детритофаги (такие, как гиены, стервятники, черви, крабы и т.д.), а остальная часть разлагается с помощью редуцентов (в основном, бактерий и грибов), и обмен энергией продолжается.

Стрелки в пищевой цепи показывают поток энергии, от солнца или гидротермальных источников до высших хищников. По мере того, как энергия перетекает из организма в организм, она теряется на каждом звене цепи. Совокупность многих пищевых цепей называется пищевой сетью .

Положение некоторых организмов в пищевой цепи может варьироваться, поскольку их рацион отличается. Например, когда медведь ест ягоды, он выступает как растительноядное животное. Когда он съедает грызуна, питающегося растениями, то становиться первичным хищником. Когда медведь ест лосося, то выступает суперхищником (это связано с тем, что лосось является первичным хищником, поскольку он питается селедкой, а она ест зоопланктон, который питается фитопланктоном, вырабатывающим собственную энергию благодаря солнечному свету). Подумайте о том, как меняется место людей в пищевой цепи, даже часто в течение одного приема пищи.

Типы пищевых цепей

В природе, как правило, выделяют два типа пищевых цепей: пастбищную и детритную.

Пастбищная пищевая цепь

Схема пастбищной пищевой цепи

Этот тип пищевой цепи начинается с живых зеленых растений, предназначенных для питания растительноядных животных, которыми питаются хищники. Экосистемы с таким типом цепи напрямую зависят от солнечной энергии.

Таким образом, пастбищный тип пищевой цепи зависит от автотрофного захвата энергии и перемещения ее по звеньям цепи. Большинство экосистем в природе следуют этому типу пищевой цепи.

Примеры пастбищной пищевой цепи:

Детритная пищевая цепь

Схема детритной пищевой цепи

Этот тип пищевой цепи начинается с разлагающегося органического материала - детрита - который употребляют детритофаги. Затем, детритофагами питаются хищники. Таким образом, подобные пищевые цепи меньше зависят от прямой солнечной энергии, чем пастбищные. Главное для них - приток органических веществ, производимых в другой системе.

К примеру, такой тип пищевой цепи встречается в разлагающейся подстилке умеренного леса.

Энергия в пищевой цепи

Энергия переносится между трофическими уровнями, когда один организм питается другим и получает от него питательные вещества. Однако это движение энергии неэффективное, и эта неэффективность ограничивает протяженность пищевых цепей.

Когда энергия входит в трофический уровень, часть ее сохраняется как биомасса, как часть тела организмов. Эта энергия доступна для следующего трофического уровня. Как правило, только около 10% энергии, которая хранится в виде биомассы на одном трофическом уровне, сохраняется в виде биомассы на следующем уровне.

Этот принцип частичного переноса энергии ограничивает длину пищевых цепей, которые, как правило, имеют 3-6 уровней.

На каждом уровне, энергия теряется в виде тепла, а также в форме отходов и отмершей материи, которые используют редуценты.

Почему так много энергии выходит из пищевой сети между одним трофическим уровнем и другим? Вот несколько основных причин неэффективной передачи энергии:

• На каждом трофическом уровне значительная часть энергии рассеивается в виде тепла, поскольку организмы выполняют клеточное дыхание и передвигаются в повседневной жизни.
• Некоторые органические молекулы, которыми питаются организмы, не могут перевариваться и выходят в виде фекалий.
• Не все отдельные организмы в трофическом уровне будут съедены организмами со следующего уровня. Вместо этого, они умирают, не будучи съеденными.
• Кал и несъеденные мертвые организмы становятся пищей для редуцентов, которые их метаболизируют и преобразовывают в свою энергию.

Итак, ни одна из энергий на самом деле не исчезает - все это в конечном итоге приводит к выделению тепла.

Значение пищевой цепи

1. Исследования пищевой цепи помогают понять кормовые отношения и взаимодействие между организмами в любой экосистеме.

2. Благодаря им, есть возможность оценить механизм потока энергии и циркуляцию веществ в экосистеме, а также понять движение токсичных веществ в экосистеме.

3. Изучение пищевой цепи позволяет понять проблемы биоусиления.

В любой пищевой цепи, энергия теряется каждый раз, когда один организм потребляется другим. В связи с этим, должно быть намного больше растений, чем растительноядных животных. Автотрофов существует больше, чем гетеротрофов, и поэтому большинство из них являются растительноядными, нежели хищниками. Хотя между животными существует острая конкуренция, все они взаимосвязаны. Когда один вид вымирает, это может воздействовать на множество других видов и иметь непредсказуемые последствия.

Правило 10 энергии пищевых цепей

Точнее – закономерность в области биологии, установленная Раймондом Линдеманом , согласно которой только часть (примерно 10%) энергии, поступившей на определенный системный уровень, передаётся организмам, находящимся на более высоких уровнях.

Например, растения могут усваивать при фотосинтезе до 1% солнечной энергии. В свою очередь, растительноядные животные потребляют около до 10% энергии растений (или: до 90% энергии, накопленной растениями, просто теряется…).

Хищники, питаясь растительноядными животными, получают 10% энергии, содержащихся в биомассе всего ими съеденного.

Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими её уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее — не более 0,5% от общего её потока, и потому можно полагать, что круговорота энергии в биоценозе не происходит.

ПРИМЕР . «…человек, грызущий морковку, относится к числу консументов первого порядка, но, отведав такое блюдо французской кухни, как лягушачьи лапки, он становится консументом третьего порядка. Большинство травоядных, хищных и всеядных животных черпает пищу из нескольких цепей, составляющих их пищевую сеть».

Люсьен Матье, Сбережём землю, М., «Прогресс», 1985 г., с. 23.

ПРИМЕР. «Хищник живет плотью поедаемых животных. Оно щиплет травку пятнадцать часов в день и переваривает круглосуточно — а он наедается за четверть часа на трое суток. Это более эффективный способ потребления энергии: быстро, много, уже преобразованной из растений. Вроде «сникерса»: съел — и порядок. Хищник как усовершенствованная биосистема, опосредованно, через «фильтр-обогатитель», работающая на энергии веществ земной коры и на солнечной энергии. Сам он травой питаться не может, сдохнет, а жить надо. Аналогично государственная система стремится получать энергию самым эффективным из доступных ей способов. Если отобрать у другого быстрее и проще, чем делать самому — отбираем. И это вовсе не всегда имеет форму грабежа. Идеологически и нравственно это может облекаться в самые разные одежды».

Веллер М.И., Кассандра, СПб, «Пароль», 2003 г., с. 80-81.

2017 Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки

Российской Федерации

Проверочная работа включает в себя 16 заданий. На выполнение работы по биологии отводится 1 час 30 минут (90 минут).
Записывайте ответы на задания в отведённом для этого месте в работе. В случае записи неверного ответа зачеркните его и запишите рядом новый.
При выполнении работы разрешается использовать калькулятор.
При выполнении заданий Вы можете использовать черновик. Записи в черновике проверяться и оцениваться не будут.
Советуем выполнять задания в том порядке, в котором они даны. Для экономии времени пропускайте задание, которое не удаётся выполнить сразу, и переходите к следующему. Если после выполнения всей работы у Вас останется время, Вы сможете вернуться к пропущенным заданиям.
Баллы, полученные Вами за выполненные задания, суммируются. Постарайтесь выполнить как можно больше заданий и набрать наибольшее количество баллов.
Желаем успеха!

ВАРИАНТ 1

1. Выберите из приведённого перечня систематических таксонов три таксона, которые являются общими при описании изображённых организмов.

Перечень таксонов:
1) класс Двудольные
2) империя Неклеточные
3) надцарство Прокариоты
4) царство Растения
5) подцарство Многоклеточные
6) отдел Цветковые

ОТВЕТ

Все существующие на нашей планете растения объединяют в одно царство , которое называется Растения .

Растения делятся на два подцарства – высшие и низшие.

К низшим растениям относят водоросли.

А высшие растения делятся на Споровые и Семенные. К споровым относят отделы Мхи, Хвощи, Плауны и Папоротники. А к семенным – отдел Голосеменные и отдел Покрытосеменные (Цветковые).

Голосеменные растения не имеют травянистых форм, а так как мы видим, что данные нам растения точно не деревья и не кустарники, то они относятся к отделу Цветковые (такой же вывод можно было сделать и по наличию цветков и плодов).

Капуста огородная – растение семейства Крестоцветные (Капустные), горох посевной принадлежит к семейству Бобовые, а картофель из семейства Паслёновые. Растения этих семейств принадлежат к классу Двудольные .

Таким образом, правильными ответами являются пункты 1 , 4 ,6 .

Давайте, исключим остальные варианты ответов.

Эти растения не относят к империи Неклеточные, т.к. они имеют клеточное строение, т.е. состоят из клеток. Их не относят к надцарству Прокариоты, так как прокариоты – организмы, не имеющие ядра в клетке, а у растений ядро есть. Они не относятся к подцарству Многоклеточные, так как в систематике растений есть подцарства Высшие и Низшие, а подцарства Многоклеточны0е вообще нет.

2. Правило Аллена гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в более холодном климате, имеют относительно меньшие выступающие части тела: уши, ноги, хвосты и т.д.

1. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены
фотографии.

2. Используя знания в области терморегуляции, объясните правило Аллена.
ОТВЕТ

Ответ на 1 вопрос: 312 Ответ на 2 вопрос: чем больше поверхность тела теплокровного животного, тем интенсивнее идёт отдача тепла. Этому способствуют большие уши.

Ответить на 1 вопрос совсем не трудно. Стоит учесть, что требуется расставить животных, начиная с самого северного, а по правилу Аллена у северных животных выступающие части тела меньше. Значит, мы должны расставить животных, начиная с того, которое имеет самые маленькие уши.

Уменьшение у животных выступающих частей тела приводит к уменьшению поверхности тела, а следовательно, к уменьшению теплоотдачи. Это помогает животным, обитающим в холодных условиях, экономить тепло. На этом должен основываться ответ на 2 вопрос.

1. Распределите организмы по их положению в пищевой цепи.
В каждую ячейку запишите
название одного из предложенных организмов.
Перечень организмов: кузнечики, растения, змеи, лягушки, орёл.

Пищевая цепь

2. Правило гласит: «не более 10% энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте величину энергии (в кДж), которая переходит на уровень консументов II порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы 10 000 кДж.

ОТВЕТ

1. растения – кузнечики – лягушки – змеи – орёл

4. Изучите рисунок. Благодаря какому процессу образовалось такое многообразие изображённых организмов?

ОТВЕТ

Искусственный отбор,
ИЛИ мутационная изменчивость,
ИЛИ наследственная изменчивость

5. Изучите график, отражающий зависимость скорости реакции, катализируемой ферментом, от температуры тела собаки (по оси х отложена температура тела собаки (в °С), а по оси у – скорость химической реакции (в усл. ед.)).

Известно, что температура тела здоровой собаки находится в пределах 37,5–38,5 °С. Как изменится скорость химических реакций в организме собаки, если температура её тела будет выше нормальной?

ОТВЕТ

Скорость химических реакций будет снижаться (падать)

6. Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов: для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента.

Пропущенные элементы:
1) ДНК
2) анатомия
3) организменный
4) хлоропласт
5) молекулярно-генетический
6) цитология

ОТВЕТ

7. Холестерин играет важную роль в обмене веществ и работе нервной системы. Он поступает в организм из продуктов животного происхождения. В растительных продуктах его практически нет. Количество холестерина, поступающего в организм с пищей, не должно превышать 0,3–0,5 г в сутки.

1. Используя данные таблицы, рассчитайте количество холестерина в завтраке человека, который съел 100 г нежирного творога, 25 г «Голландского» сыра, 20 г сливочного масла и две сосиски.

2. Какую опасность для здоровья человека представляет избыток холестерина в организме человека?

ОТВЕТ

2. поражение кровеносных сосудов,
ИЛИ развитие атеросклероза,
ИЛИ ишемическая болезнь сердца

8. Сергей пришёл к врачу из-за плохого самочувствия. Врач дал ему направление на анализ, результаты которого показали, что количество лейкоцитов равно 2,5×108 при норме 4–9×109. Какой анализ предложил сдать врач и какой диагноз он поставил на основе полученных результатов? Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера.

Список ответов:
1) нарушение углеводного обмена
2) кислородная недостаточность
3) анализ крови
4) снижение иммунитета
5) анализ кала

ОТВЕТ 34

Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть
записано несколько номеров.

Список болезней человека:
1) ветряная оспа
2) синдром Дауна
3) инфаркт миокарда
4) дизентерия
5) малярия

ОТВЕТ

10. медицинской генетике широко используется генеалогический метод. Он основан на составлении родословной человека и изучении наследования того или иного признака. В подобных исследованиях используются определённые обозначения. Изучите фрагмент родословного древа одной семьи, у некоторых членов которой имеется глухонемота.

Фрагмент родословного древа семьи

Используя предложенную схему, определите:
1) данный признак доминантный или рецессивный;
2) данный признак не сцеплен или сцеплен с половыми хромосомами.

ОТВЕТ

рецессивный признак

2. признак не сцеплен с полом

11. Света всегда хотела иметь такие же «ямочки» на щеках, как у её мамы (доминантный признак (А) не сцеплен с полом). Но «ямочки» у Светы отсутствовали, как у её отца. Определите генотипы членов семьи по признаку наличия или отсутствия «ямочек». Ответы занесите в таблицу.

ОТВЕТ

Мать – Аа; отец – аа; дочь – аа

12. В суде рассматривался иск об установлении отцовства ребёнка. Был сделан анализ крови ребёнка и его матери. У ребёнка она оказалась II(А), а у матери – I(0). Проанализируйте
данные таблицы и ответьте на вопросы.

1. Мать ребёнка заявляла в суде, что отцом её сына является мужчина с IV(АВ) группой крови. Мог ли он быть отцом ребёнка?

2. Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли ребёнок быть донором крови для своей матери.

3. Используя данные таблицы «Группы крови по системе АВ0» объясните своё решение.

* Примечание.
Антиген - любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела.
Антитела - белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов.

ОТВЕТ

Ответ на 1 вопрос: да
Ответ на 2 вопрос: нет
Ответ на 3 вопрос: в результате одновременного нахождения в кровяном русле матери, при переливании, одноименных антигенов А ребёнка и антител α (матери) произойдёт склеивание эритроцитов, что может привести к смерти матери

13. В биохимической лаборатории изучался нуклеотидный состав фрагмента молекулы ДНК пшеницы. Было установлено, что в пробе доля адениновых нуклеотидов составляет 10%.
Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + Т = А + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с цитозином.

ОТВЕТ 40%

1. Рассмотрите изображение двумембранного органоида эукариотической клетки. Как он называется?

2. Нарушение какого процесса произойдёт в клетке в случае повреждений (нарушений в работе) данных органоидов?

ОТВЕТ

1. митохондрия

2. энергетического обмена,
ИЛИ процесса дыхания,
ИЛИ биологического окисления

15. Генетический код - свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи
последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.
Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов. На примере аминокислоты серин (Сер), объясните следующее свойство генетического кода: код триплетен.

Таблица генетического кода

ОТВЕТ

1) каждой аминокислоте соответствует сочетание из трёх нуклеотидов
(триплетов, кодонов);
2) кодирование аминокислоты серин (Сер) может произойти с
помощью одного из следующих кодонов (триплетов): ТЦТ, ТЦЦ,
ТЦА, ТЦГ, АГТ, АГЦ

16. На рисунке изображён археоптерикс – вымершее животное, обитавшее 150–147 млн лет назад.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который обитал данный организм, а также его возможного предка уровня класса (надотряда) животных.

Эра: ______________________________________________________________
Период:___________________________________________________________
Возможный предок:_________________________________________________

ОТВЕТ

Эра: мезозойская эра;
Период: юрский период;
Возможный предок: древние пресмыкающиеся, ИЛИ
пресмыкающиеся, ИЛИ рептилии, ИЛИ динозавры

ВАРИАНТ 2

Перечень таксонов:
1) царство Растения
2) класс Папоротниковидные
3) класс Моховидные
4) отдел Папоротникообразные
5) отдел Голосеменные
6) подцарство Низшие растения

Запишите номера выбранных таксонов.

ОТВЕТ

На рисунках изображены растения (есть органы растений – листья, стебли); класс Па­по­рот­ни­ко­вид­ные отдел Па­по­рот­ни­ко­об­раз­ные – Папоротникообразные имеют корни и побеги (стебли с листьями), размножаются спорами.

Листья нарастают верхушкой (как побе­ги), молодые листья образуют на верхушке завитки - «улитки», которые защищают верхушечную меристему. Из-за этих особенностей, не свойственных листьям, их называ­ют вайями. На корневище образуются придаточные корни. На 2 рисунке – водный папоротник.

Ответ: 142.

2. Закон лимитирующего фактора гласит, что наиболее важным для выживания вида является тот фактор, который больше отклоняется от оптимальных для него значений. Факторы, которые сдерживают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называют лимитирующими (ограничивающими).

На рисунках изображены различные природные экосистемы. Расположите эти экосистемы в той последовательности, в которой значение лимитирующего фактора (недостаток тепла) снижается.

Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены экосистемы.

2. Наглядной иллюстрацией закона лимитирующего фактора является бочка Либиха. Что на рисунке символизирует лимитирующий фактор?

ОТВЕТ

2.1: 231
2.2: ко­рот­кая доска сим­во­ли­зи­ру­ет ли­ми­ти­ру­ю­щий фак­тор; её длина опре­де­ля­ет уро­вень, до ко­то­ро­го бочку можно на­пол­нить, причём длина дру­гих досок уже не имеет зна­че­ния

2.1. На рисунках изображены природные зоны: 1 - степь; 2 - тундра; 3 - широколиственный лес.
По условию задания зна­че­ние ли­ми­ти­ру­ю­ще­го фак­то­ра (не­до­ста­ток тепла) сни­жа­ет­ся , т.е. среднегодовая температура повышается: тундра→ широколиственный лес →степь

2.2. Существуют разные формулировки этого закона. Но суть закона минимума (или закона ограничивающего фактора) можно сформулировать так:
Жизнь организма зависит от множества факторов. Но, наиболее значимым в каждый момент времени является тот фактор, который наиболее уязвим.
Иными словами, если в организме какой-то из факторов существенно отклоняется от нормы, то именно этот фактор в данный момент времени является наиболее значимым, наиболее критическим для выживания организма.
Важно понимать, что для одного и того же организма в разное время такими критически важными (или по-другому лимитирующими) факторами могут совершенно разные факторы.
В этой полусломанной бочке – лимитирующим фактором является высота доски. Очевидно, что вода будет переливаться через самую маленькую доску в бочке. В этом случае нам уже будет не важной высота остальных досок – все равно бочку наполнить будет нельзя.
Наименьшая доска – это и есть тот самый фактор, который наиболее отклонился от нормального значения.

1. Распределите организмы по их положению в пищевой цепи. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов. Перечень организмов: ласка, листовой опад, крот, дождевой червь.

Пищевая цепь

2. «Правило 10%»: при переходе с одного трофического уровня на другой 90 % энергии рассеивается. Используя «Правило 10%», рассчитайте массу дождевых червей (в кг), необходимых для нормальной жизнедеятельности одной ласки массой 102 г, в цепи питания листовой опад → дождевые черви → крот → ласка

ОТВЕТ

1. листовой опад→дождевой червь→крот→ласка

Детритные пищевые цепи (цепи разложения) - пищевые цепи, которые начинаются с детрита – отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных. Гетеротрофные организмы, питающиеся непосредственно детритом, называются детритофагами. Далее следуют консументы (вторчные потребители)

Количество растительного вещества, служащего основой цепи питания, примерно в 10 раз больше, чем масса растительноядных животных, и каждый последующий пищевой уровень также имеет массу, в 10 раз меньшую. Это правило известно как правило Линдемана, или правило 10 процентов.

При расчете массы и энергии снизу вверх – убираем по одному нулю при переходе на каждый уровень, а если движемся сверху вниз – добавляем по одному нулю.

Собственно, цепь питания: листовой опад → дождевые черви → крот → ласка

Кротов 102 г *10 = 1020 г

Червей 1020 г * 10= 10200 г или 10 кг 200 г

4. Изучите рисунок. В результате какого процесса образовалось такое многообразие изображённых на рисунке живых организмов?

ОТВЕТ

искусственный отбор ИЛИ мутационная изменчивость ИЛИ наследственная изменчивость.

Мно­го­об­ра­зие пород голубей яв­ля­ет­ся ре­зуль­та­тов ис­кус­ствен­но­го от­бо­ра - это отбор про­из­во­ди­мый че­ло­ве­кам на ос­но­ве му­та­ци­он­ной (на­след­ствен­ной) из­мен­чи­во­сти.

Че­ло­век вел отбор в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии: величине зоба, надклювье, хвост.

5. Изучите график, который отражает выживаемость вида в зависимости от температуры.

Определите, какое количество (в %) особей будет выживать в диапазоне температур от 15 до 25 °C.

ОТВЕТ 75-100%.

Пропущенные элементы:
1) абстрагирование
2) открытие новых видов
3) эволюционные процессы
4) использование специальных приборов
5) инструментальный
6) сбор фактов

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

ОТВЕТ

1. Жиры - необходимая часть рациона человека.

Сергею 12 лет (вес 36 кг). Зимой на каникулах он посещал г. Кисловодск. После длительной прогулки по Курортному парку он обедал в кафе. В заказ входили следующие блюда: сложный горячий бутерброд со свининой, салат овощной, мороженое с шоколадным наполнителем, вафельный рожок и «Кока-кола». Используя данные таблиц 1 и 2, определите количество жиров, поступивших с пищей во время обеда, и их отношение к суточной норме.

Суточные нормы питания и энергетическая потребность детей и подростков

Таблица энергетической и пищевой ценности готовых блюд

2. Жиры - необходимая часть рациона человека.

Почему врачи-диетологи для похудения советуют уменьшить в рационе количество жиров, а не полностью от них отказаться?

ОТВЕТ

1. Количество жиров в обеде = 33 + 0 + 11 + 4 + 0 = 48 г; отношение поступивших с пищей жиров к суточной норме = 48: 61,2 (суточная потребность в жирах - 36 кг x 1,7) 0,78 (или 78%)

2. Полностью исключать жиры из рациона нельзя, так как жиры являются компонентами структур клетки (мембран) и входят в состав гормонов, способствуют усвоению некоторых витаминов.

8. На приёме у терапевта пациент жалуется на повышенную возбудимость, учащённый пульс, пучеглазие, дрожание рук, потливость, снижение массы тела при хорошем аппетите, перепады настроения. Какой диагноз поставит врач? К какому специалисту отправит пациента для уточнения диагноза? Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера.

Список ответов:

1) бронзовая болезнь
2) базедова болезнь
3) нарушение белкового обмена
4) невролог
5) эндокринолог

ОТВЕТ

Базедова болезнь, иначе называемая болезнью Грейвса (медицинское название – диффузный токсический зоб) представляет собой заболевание, связанное с отклонением работы щитовидной железы (ее увеличение в размере и чрезмерная выработка гормонов).

Начинается Базедова болезнь для обычного человека практически незаметно. Ее первыми признаками могут быть: повышенная потливость, частое дрожание верхних конечностей, бессонница, перепады в настроении. Кожа больного с течением времени становится более смуглой, в районе его нижних конечностей можно заметить небольшие постоянные отеки.

Эндокринолог - врач этой специализации следит за состоянием эндокринной системы организма. Эндокринолог занимается диагностированием и лечением, а также предотвращением проблем гормональной регуляции в нашем организме.

9. Определите происхождение болезней, приведённых в списке. Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров.

Список болезней человека:

1) гепатит
2) туберкулёз
3) ангина
4) сколиоз
5) грипп

ОТВЕТ

10. Изучите фрагмент родословной.

Установите характер наследования признака, выделенного на схеме чёрным цветом.

1) Данный признак доминантный или рецессивный?

2) Данный признак сцеплен или не сцеплен с полом?

ОТВЕТ

1. Признак является доминантным аутосомным, т. к. проявляется в каждом поколении.

2. С оди­на­ко­вой ве­ро­ят­но­стью встре­ча­ет­ся и у муж­чин и у жен­щин - не сцеп­лен с Х-хро­мо­со­мой.

11. У родителей карие глаза. Их дочь имеет голубые глаза. Определите генотипы членов семьи по признаку «карие/голубые глаза». Ответы занесите в таблицу.

ОТВЕТ мать - Аа, отец - Аа, ребёнок - аа.

12. У матери четвёртая (AB) группа крови, у отца - первая (00). Проанализируйте данные таблицы и ответьте на вопросы.

1. Кровь какой группы имеет их дочь?
2. Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли отец быть донором крови для своей дочери.

3. Используя данные таблицы «Классификация крови по группам», объясните своё решение.

* Примечание.

Антиген - любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела.

Антитела - белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов.

ОТВЕТ

Элементы ответа:

12.1. Ответ: II (A) или III (B)

Воспользуемся таблицей. Находим столбец с группой крови отца I (0), ищем строку – IV (AB)группу крови у матери. На пересечении находим группу крови возможных детей –II (A), III (B)

12.2. Ответ: да.

Воспользуемся схемой “переливание крови”. МОЖЕТ, НО – при переливании больших количеств крови следует использовать только одногруппную кровь.

12.3. Ответ: человек с первой группой крови (отец) является «универсальным донором», → его кровь можно переливать в кровь любой группы.

13. При изучении нуклеотидного состава фрагмента молекулы ДНК речного рака было установлено, что в пробе доля нуклеотидов с гуанином составляет 18%. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + T = A + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с тимином.

ОТВЕТ

По пра­ви­лу ком­пле­мен­тар­но­сти ко­ли­че­ство гу­а­ни­на равно ко­ли­че­ству ци­то­зи­на; количество нуклеотидов с тимином равно количеству нуклеодидов с аденином.

18% цитозина = 18% гуанина по пра­ви­лу ком­пле­мен­тар­но­сти,
64% на тимин и аденин, а так как их рав­ное ко­ли­че­ство, то
32% аденина = 32% тимина.

Про­цент нук­лео­ти­дов с ти­ми­ном 100% – (18% Ц + 18% Г) = 64%:2=32

1. Рассмотрите изображение органоида. Как он называется?

2. Рассмотрите изображение органоида. Какие процессы обеспечивает изображённый органоид?

ОТВЕТ

1. На рисунке Аппарат Гольджи. Он представляет собой стопку дискообразных мембранных мешочков (цистерн), система трубочек и на концах пузырьки (образуются лизосомы)

2. Накопление и химическая модификация (процессинг) веществ, которые синтезируются в каналах ЭПС (эндоплазматической сети) в неактивной форме; транспорт модифицированных химических веществ; образование лизосом.

15. Генетический код - способ кодирования последовательности аминокислот в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты у всех живых организмов. Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов. На примере аминокислоты метионин (MET) объясните такое свойство генетического кода, как однозначность (специфичность).

Генетический код

ОТВЕТ

Однозначность – один триплет не может кодировать более одной аминокислоты.

Аминокислота метионин (МЕТ) кодируется только одним триплетом. По иРНК АУГ; по ДНК ТАЦ

16. На рисунке изображены псилофиты - вымершие растения.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который появились данные организмы, а также возможного предка уровня отдела растений.

Геохронологическая таблица

ОТВЕТ

Воспользуемся таблицей, в третьей колонке найдем псилофиты; определяем по второй и первой колонкам эру и период, когда обитали псилофиты

Ответ: Эра: па­лео­зой­ская

Период: Силур

Предками псилофитов являются многоклеточные зеленые водоросли.

ВАРИАНТ 3

1. Выберите из приведённого перечня систематических таксонов три таксона, которые являются общими при описании изображённых организмов.

Перечень таксонов:

1) царство Животные
2) класс Ресничные черви
3) класс Сосальщики
4) тип Плоские черви
5) тип Кольчатые черви
6) тип Нематоды

Запишите номера выбранных таксонов.

2. Правило Бергмана гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более крупные размеры тела по сравнению с обитателями более теплых зон и областей.

Рассмотрите фотографии, на которых изображены представители трёх близкородственных видов млекопитающих. Расположите этих животных в той последовательности, в которой их природные ареалы расположены по поверхности Земли с севера на юг.

1. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены фотографии.

2. Используя знания в области терморегуляции, объясните правило Бергмана.

3.1. Расставьте в правильной последовательности организмы в соответствии с их местом в цепи питания заливного луга. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов.

Перечень организмов: дождевой червь, сокол, уж, землеройка, перегной.

Пищевая цепь

_________ → _________ → _________ → _________ → _________

3.2. Правило гласит: «не более 10 % энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте величину энергии, которая переходит на уровень консументов I порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы 200 кДж.

4. Изучите рисунок. Какой тип взаимоотношений иллюстрирует рисунок?

5. Проанализируйте график скорости размножения молочнокислых бактерий и ответьте на следующий вопрос: как изменится скорость размножения бактерий в пределах температуры от 24°С до 34°С?

6. Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов : для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента.

Пропущенные элементы:

1) биосинтез белка;
2) экология;
3) организменный;
4) пищевые цепи;
5) проведение нервного импульса;
6) цитология;

7.1. Ниже приведена таблица, отражающая содержание витаминов в некоторых плодовых соках (по данным Популярной медицинской энциклопедии). В нижней строке показана средняя суточная потребность в этих веществах (в мг). Пользуясь таблицей, ответьте на вопросы, при расчетах используйте максимальный показатель данных (например, 2-8 – используем 8).

Достаточно ли выпить 250 мл цитрусового микса, состоящего из апельсинового (100мл), лимонного (50 мл) и мандаринового сока (100мл), чтобы удовлетворить суточную потребность в витамине А?

7.2. Аня, 14 лет, вес 55 кг, вегетарианка. Почему Юлии необходимо обращать особое внимание на содержание белков в заказываемых блюдах?

8. При прохождении обследования у Анастасии (19 лет) был установлен уровень сахара 12 ммоль/л при норме 3,2-5,5 ммоль/л. Какой анализ сдавала Анастасия? Какой диагноз предположительно поставит врач на основе полученных результатов? Выберите ответ из списка и запишите в таблицу номер ответа.

1) анализ крови
2) анализ мочи
3) нарушение углеводного обмена
4) воспалительный процесс
5) аллергическая реакция

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

9. Определите, какие органы из приведённых в списке, получили свое развитие из каких зародышевых листков. Запишите номер органа в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров.

Список органов человека:

1) ногти
2) бицепс
3) лёгкие
4) бедренная кость
5) головной мозг

10.1. По изображенной на рисунке родословной установите характер проявления признака (доминантный, рецессивный), обозначенного черным цветом. Определите генотип родителей и детей в первом поколении.

10.2. Изучите схему скрещивания кур.

Установите характер наследования чёрной окраски оперения у кур.

Данный признак наследуется по принципу полного или неполного доминирования?

11. У человека глаукома наследуется как аутосомно-рецессивный признак (а). Жена страдает глаукомой, а муж гетерозиготен по данному признаку. Определите генотипы родителей и вероятность рождения здорового ребёнка. Ответы занесите в таблицу.

12. Перед судебно-медицинской экспертизой поставлена задача выяснить: является ли мальчик, имеющийся в семье супругов Р 1 , родным или приемным. Исследование крови мужа, жены и ребенка показало: жена -IV группа крови, муж - I, ребенок - I группа крови. Проанализируйте данные и ответьте на вопросы.

1. Какое заключение должен дать эксперт?
2. Какая группа крови может быть у ребенка данных родителей?

3. Объясните решение эксперта.

13. Какое число аминокислот в белке, если его кодирующий ген состоит из 600 нуклеотидов? В ответ запишите ТОЛЬКО соответствующее число.

14.1. Рассмотрите рисунок части растения, какая структура изображена на рисунке. Как она называется?

14.2. Какую функцию выполняет данная структура?

15. Генетический код - способ кодирования последовательности аминокислот в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты у всех живых организмов.

Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов.

На примере аминокислоты глутамин (ГЛН) поясните, какими триплетами может быть закодирована данная аминокислота на информационной РНК (иРНК), укажите все возможные комбинации триплетов. Поясните такое свойство генетического кода, как вырожденность, или избыточность.

16. На рисунке изображен белемнит – вымершее животное, обитавшее 440-410 млн лет назад.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который обитал данный организм, а также «близких родственников» данного животного в современной фауне (ответ – на уровне рода)

Геохронологическая таблица

ОТВЕТЫ:

213; Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С увеличением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить «отношение теплопродукция / теплоотдача» и таким образом компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном климате.

1. перегной→дождевой червь→землеройка→уж→сокол; 2. 20

Повышается

А - 2, Б - 4, В - 3, Г - 5, Д - 6, Е - 1.

1. Нет; 2. Белок - это основной строительный материал для тела, а при вегетарианстве может не хватать белков в пище.

Эктодерма - 15, энтодерма - 3, мезодерма - 24.

При­знак ре­цес­сив­ный, т.к. наблюдается “проскок” через поколение.

Ге­но­ти­пы ро­ди­те­лей: мать - аа, отец - АА или Аа;

Ге­но­ти­пы детей: сын и дочь ге­те­ро­зи­го­ты - Аа

2. Неполное доминирование

Мать - aa, отец - Aa, вероятность - 50.

1. Воспользуемся таблицей. Находим столбец с группой крови отца II (A), ищем строку – 2 группу крови у матери. На пересечении находим группу крови возможных детей – два ответа II (A) и I (0) .

3. При переливании больших количеств крови следует использовать только одногруппную кровь. С кровью донора в кровь детям поступает большое количество агглютининов, которые могут вызвать гемолиз собственных эритроцитов реципиента.В результате склеивания эритроцитов антигена А (отца) и антител плазмы α (у детей), дети могут погибнуть.

1. Побег, ИЛИ стебель с листьями и почками;

2. На рисунке изображены хромосомы. Плотные продолговатые или нитевидные образования, которые можно рассмотреть только при делении клетки. Содержат ДНК – носитель наследственной информации, которая передается от поколения к поколению.

Функция хромосом – хранение наследственной информации, ИЛИ регуляция всех процессов жизнедеятельности.

1) кодирование аминокислоты глутамин (ГЛН) может произойти с помощью одного из следующих триплетов: ЦАА, ЦАГ;

2) вырожденность, или избыточность,- одну аминокислоту может кодировать несколько триплетов.

В силурийском периоде (440-410 миллионов лет назад) в морях впервые появляются крупные животные, до этого их размеры не превышали нескольких сантиметров. Крупнейшими морскими животными силура были головоногие моллюски с наружной раковиной размером в телеграфный столб, ее длина иногда достигала 4-5 метров.

Белемниты очень похожи на современных кальмаров и подобно им были хорошими пловцами. На голове у них располагались большие глаза и десять рук с присосками - две длинные и восемь более коротких. Как и некоторые кальмары, белемниты имели раковину внутри тела - эти раковины часто встречаются в мезозойских отложениях и называются «чертовыми пальцами». По форме и размерам они действительно похожи на остроконечные пальцы. Большинство ученых считают, что раковина была известковой, как раковины других моллюсков, но некоторые думают, что у живых белемнитов раковина была мягкой, хрящевой и окаменела после смерти. Аммониты и белемниты полностью вымерли в конце мезозойской эры.

ЭРА: Палеозой

Период: Силурский

Возможный «родственник»: кальмар

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО БИОЛОГИИ за первое полугодие

В 11 классе (2016 – 2017 уч. год)

На фрагменте одной цепи ДНК нуклеотиды расположены в такой последовательности: А-А-Г-Т-Ц-Т-А-Ц-Г-Т-А-Г.

а) Дополните схему строения двухцепочечной молекулы ДНК

Ответ:______________________________________________

б) Какой принцип лежит в основе структуры молекулы ДНК?

в) Какова длина в нанометрах этого фрагмента ДНК?

Ответ:________________________________________________

У гороха красная окраска цветков доминирует над белой, а высокий рост над карликовым. Признаки наследуются независимо. При скрещивании двух растений с красными цветками, одно из которых было высокого роста, а другое низкого, получили 35 высоких растений с красными цветками, 32 низких растения с красными цветками, 10 высоких с белыми цветками и 13 низких с белыми цветками.

Каковы генотипы родителей?

Ответ:_______________________________________________

Установите последовательность систематических групп животных, начиная с наименьшей
А) Обыкновенная лисица
Б) Хордовые
В) Хищные
Г) Млекопитающие
Д) Лисицы
Е) Волчьи

В ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 15%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. Пользуясь правилом Чаргаффа, описывающим количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК (Г + Т = А + Ц), рассчитайте в этой пробе процент нуклеотидов с цитозином.

В ответе запишите только соответствующее число.

Ответ: ___________________________%.

5. Установите последовательность расположения систематических таксонов растения, начиная с самого крупного таксона. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр.

1) Мятлик луговой

2) Мятлик

3) Покрытосеменные

4) Однодольные

5) Растения

6) Злаковые

6. Проанализируйте график скорости размножения молочнокислых бактерий.

Выберите утверждения, которые можно сформулировать на основании анализа полученных результатов.

Скорость размножения бактерий

1) всегда прямо пропорциональна изменению температуры среды

2) зависит от ресурсов среды, в которой находятся бактерии

3) зависит от генетической программы организма

4) повышается при температуре 20–36 °С

5) уменьшается при температуре выше 36 °С

Запишите в ответе цифры, под которыми указаны выбранные утверждения.

Ответ: ___________________________

7. Правило Бергмана гласит, что среди родственных форм теплокровных животных, ведущих сходный образ жизни, те, которые обитают в областях с преобладающими низкими температурами, имеют, как правило, более крупные размеры тела по сравнению с обитателями более теплых зон и областей.

Рассмотрите фотографии, на которых изображены представители трёх близкородственных видов млекопитающих. Расположите этих животных в той последовательности, в которой их природные ареалы расположены по поверхности Земли с севера на юг.

Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр, которыми обозначены фотографии.

1. бурый медведь 2. 3. кадьяк

Ответ:

2. Используя знания в области терморегуляции, объясните правило Бергмана.

Ответ:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

8.

1. Рассмотрите изображение органоида эукариотической клетки. Как он называется?

Ответ :___________________________

Нарушение какого процесса произойдёт в клетке в случае повреждений (нарушений в работе) данного органоида?

Ответ: _______________________________________

Определите происхождение болезней, приведённых в списке. Запишите номер каждой из болезней в списке в соответствующую ячейку таблицы. В ячейках таблицы может быть записано несколько номеров.

Список болезней человека:

1) корь

2) гемофилия

3) фенилкетонурия

4) туберкулез

5) инсульт головного мозга

Приобретенное заболевание

Инфекционное

Неинфекционное

10. Антон пришёл к врачу из-за плохого самочувствия. Врач дал ему направление на анализ, результаты которого показали, что количество лейкоцитов равно 7,2 ×113 при норме 4–9×109 . Какой анализ предложил сдать врач и какой диагноз он поставил на основе полученных результатов?

Выберите ответы из следующего списка и запишите в таблицу их номера.

Список ответов:

1) воспаление легких

2) малокровие

3) анализ крови

4) снижение иммунитета

5) анализ кала

Ответ:

Диагноз

11.

Генетический код - свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.

В таблице представлены три вида оснований (первое, второе и третье), обратите внимание на то, что они даются в двухвариантах: без скобок- нуклеотиды РНК, а в скобках - нуклеотиды ДНК.

Изучите таблицу генетического кода, в которой продемонстрировано соответствие аминокислотных остатков составу кодонов.

На примере аминокислоты глицина (ГЛИ), объясните следующее свойство генетического кода: код триплетен.

Таблица генетического кода

Ответ_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

1. Распределите организмы по их положению в пищевой цепи. В каждую ячейку запишите название одного из предложенных организмов.

Пе речень организмов: крестоцветные блошки, хорь, уж, листья репы, лягушка

Пищевая цепь:

2 . Правило гласит: «не более 10% энергии поступает от каждого предыдущего трофического уровня к последующему». Используя это правило, рассчитайте величину энергии (в кДж), которая переходит на уровень консументов I порядка при чистой годовой первичной продукции экосистемы 10 000 кДж.

Ответ___________________________________________________________________

Заполните пустые ячейки таблицы, используя приведённый ниже список пропущенных элементов: для каждого пропуска, обозначенного буквой, выберите и запишите в таблицу номер нужного элемента.

Наука, изучающая данный уровень

Пример

______________________(А)

Биохимия

______________________(Б)

Биогеоценотический

______________________(В)

______________________(Г)

______________________(Д)

Е)

Легкие

Пропущенные элементы:

1) анатомия

2) организменный

3) экология

4) РНК

5) молекулярно-генетический

6) биогеоценоз

14. В суде рассматривался иск об установлении отцовства ребёнка. У женщины с I группой крови родился ребенок с I группой крови. Будет ли удовлетворен судом иск к Л. М, у которого IV группа крови?

Проанализируйте данные таблицы и ответьте на вопросы.

I(0)

II(A)

III(B)

IV(AB)

Группа крови матери

I(0)

I(0)

II(A) I(0)

III(B) I(0)

II(A) III(B)

Группа крови ребенка

II(A)

II(A) I(0)

II(A) I(0)

Любая

II(A), III(B) IV(AB)

III(B) I

III(B) I(0)

Любая

III(B) I(0)

II(A), III(B) IV(AB)

IV(AB)

II(A) III(B)

II(A), III(B) IV(AB)

II(A), III(B) IV(AB)

II(A), III(B) IV(AB)

Мать ребёнка заявляла в суде, что отцом её сына является Л.М. с IV(АВ) группой крови. Мог ли он быть отцом ребёнка?

Ответ : ________________________________________________________________________

2 . Руководствуясь правилами переливания крови, решите, может ли ребёнок быть донором крови для своей матери.

3) Используя данные таблицы «Группы крови по системе АВ0», объясните своё решение.

Антигены эритроцитов

Антитела плазмы

α, β

А β

III

В α

А,В

А, В

* Примечание.

Антиген - любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого обычно начинает вырабатывать собственные антитела.

Антитела - белки плазмы крови, образующиеся в ответ на введение в организм человека бактерий, вирусов, белковых токсинов и других антигенов.

Ответ: _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

15 . . Холестерин играет важную роль в обмене веществ и работе нервной системы. Он поступает в организм из продуктов животного происхождения. В растительных продуктах их содержание незначительное. Количество холестерина, поступающего в организм с пищей, не должно превышать 0,3–0,5 г в сутки.

1. Используя данные таблицы, рассчитайте количество холестерина в завтраке человека, который съел 100 г нежирного творога, 25 г «Голландского» сыра, 20 г сливочного масла и две сардельки.

Продукты

Количество холестерина, г/100 г продукта

Молоко пастеризованное

0,01

Сардельки (одна сарделька – 40 г)

0,05

Творог нежирный

0,04

Колбаса

0,08

Сыр «Российский»

0,52

Яйцо куриное (одно яйцо – 50 г)

0,57

Масло сливочное

0,18

Минтай

0,03

Какую опасность для здоровья человека представляет избыток холестерина в организме человека?

Ответ: _____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

16 . На рисунке изображён стегоцефал – вымершее животное, обитавшее 300 млн. лет назад.

Используя фрагмент геохронологической таблицы, установите эру и период, в который обитал данный организм, а также его возможного предка уровня класса (надотряда) животных.

ОТВЕТЫ:

А) Т-Т-Ц-А-Г-А-Т-Г-Ц-А-Т-Ц

Б) принцип комплементарности

В) 4,08

2. Генотипы родителей: АаВв, Аавв

3. д,а,е,в,г,б

4. 35%

5. 5,3,4,6,1,2

1) 1,4,5

1) 2,3.1

2) Суть правила: Теплопродукция (выделение тепла клетками организма) пропорциональна объему тела. Теплоотдача (потеря тепла, его передача в окружающую среду) пропорциональна площади поверхности тела. С увеличением объема площадь поверхности растет относительно медленно, что позволяет увеличить отношение "теплопродукция / теплоотдача" и таким образом компенсировать потери тепла с поверхности тела в холодном климате.

1) Биосинтез и транспортировка белков в клетке.

2) Нарушение пластического обмена или ассимиляции, или метаболизма в клетке.

1. ГТТ, ГТЦ, ЦЦА, ЦЦГ, ЦЦТ, ЦЦЦ.

12 . 1) репа - крестоцветные блошки - лягушка-уж-хорь.

2) 1000

13.

5 – А биохимия 4 – Б;

Биогеоценотический 3 – В 6 – Г

– Д 1 –Е легкие

14.

1) ответ на первый вопрос: не будет, так как у этой пары не может родиться ребенок с I группой крови.

2) ответ на второй вопрос: может

3) ответ на третий вопрос : может, не произойдет склеивания эритроцитов.

15.

Ответ на первый вопрос: 1,04 г

Ответ на второй вопрос : поражение кровеносных сосудов или развитие атеросклероза, или ишемическая болезнь сердца.

16. Элементы ответа:

Эра палеозойская

Период – каменноугольный

Возможный предок: рыбы или кистеперые рыбы.

Критерии ответа:

3 балла

1 балл

2 балла нет ошибок, 1 балл допущена ошибка

1 балл

1 балл

2 балла нет ошибок, 1 балл допущена ошибка

2 балла

2 балла нет ошибок, 1 балл допущена ошибка

2 балла нет ошибок, 1 балл допущена ошибка

1 балл

3 балла нет ошибок; 2 балла допущена одна ошибка; 1 балл допущено 2 ошибки, 0 баллов допущено 3 и более ошибок.

2 балла

1 балл

2 балла ответ включает все названные выше элементы; 1 балл – ответ включает 2 из названных выше элементов, 0 баллов – ответ включает 1 из названных выше элементов, или ответ неправильный

Максимальное количество баллов: 30 баллов

На «5» - 25 – 30 баллов

На «4» - 18 – 24 балла

На «3» - 13 – 17 баллов

На «2» 12 баллов и менее.

Правило Линдемана (10%)

Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни биоценоза, постепенно гасится. В 1942 г. Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий, или закон (правило) 10%, согласно которому с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице»: продуцент - консумент - редуцент) в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее - не более 0,5% (даже 0,25%) от общего ее потока, и потому говорить о круговороте энергии в биоценозе не приходится.

Если энергия при переходе на более высокий уровень экологической пирамиды десятикратно теряется, то накопление ряда веществ, в том числе токсичных и радиоактивных, в примерно такой же пропорции увеличивается. Этот факт фиксирован в правиле биологического усиления. Оно справедливо для всех ценозов. В водных биоценозах накопление многих токсичных веществ, в том числе хлорорганических пестицидов, коррелирует с массой жиров (липидов), т.е. явно имеет энергетическую подоснову.

Экологические пирамиды

Для наглядности представления взаимоотношений между организмами различных видов в биоценозе принято использовать экологические пирамиды, различая пирамиды численности, биомасс и энергии.

Среди экологических пирамид наиболее известными и часто используемыми являются:

§ Пирамида численности

§ Пирамида биомасс

Пирамида численности. Для построения пирамиды численности подсчитывают число организмов на некоторой территории, группируя их по трофическим уровням:

§ продуценты - зеленые растения;

§ первичные консументы - травоядные животные;

§ вторичные консументы - плотоядные животные;

§ третичные консументы - плотоядные животные;

§ га-е консументы («конечные хищники») - плотоядные животные;

§ редуценты - деструкторы.

Каждый уровень изображается условно в виде прямоугольника, длина или площадь которого соответствуют численному значению количества особей. Расположив эти прямоугольники в соподчиненной последовательности, получают экологическую пирамиду численности (рис. 3), основной принцип построения которой впервые сформулировал американский эколог Ч. Элтон Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004..

Рис. 3. Экологическая пирамида численности для луга, поросшего злаками: цифры - число особей

Данные для пирамид численности получают достаточно легко путем прямого сбора образцов, однако существуют и некоторые трудности:

§ продуценты сильно различаются по размерам, хотя один экземпляр злака или водоросли имеет одинаковый статус с одним деревом. Это порой нарушает правильную пирамидальную форму, иногда давая даже перевернутые пирамиды (рис. 4) Там же.;

Рис.

§ диапазон численности различных видов настолько широк, что при графическом изображении затрудняет соблюдение масштаба, однако в таких случаях можно использовать логарифмическую шкалу.

Пирамида биомасс. Экологическую пирамиду биомасс строят аналогично пирамиде численности. Ее основное значение состоит в том, чтобы показывать количество живого вещества (биомассу - суммарную массу организмов) на каждом трофическом уровне. Это позволяет избежать неудобств, характерных для пирамид численности. В этом случае размер прямоугольников пропорционален массе живого вещества соответствующего уровня, отнесенной к единице площади или объема (рис. 5, а, б) Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004.. Термин «пирамида биомасс» возник в связи с тем, что в абсолютном большинстве случаев масса первичных консументов, живущих за счет продуцентов, значительно меньше массы этих продуцентов, а масса вторичных консументов значительно меньше массы первичных консументов. Биомассу деструкторов принято показывать отдельно.

Рис. 5. Пирамиды биомасс биоценозов кораллового рифа (а) и пролива Ла-Манш (б): цифры - биомасса в граммах сухого вещества, приходящегося на 1 м 2

При отборе образцов определяют биомассу на корню или урожай на корню (т.е. в данный момент времени), которая не содержит никакой информации о скорости образования или потребления биомассы.

Скорость создания органического вещества не определяет его суммарные запасы, т.е. общую биомассу всех организмов каждого трофического уровня. Поэтому при дальнейшем анализе могут возникнуть ошибки, если не учитывать следующее:

* во-первых, при равенстве скорости потребления биомассы (потеря из-за поедания) и скорости ее образования урожай на корню не свидетельствует о продуктивности, т.е. о количестве энергии и вещества, переходящих с одного трофического уровня на другой, более высокий, за некоторый период времени (например, за год). Так, на плодородном, интенсивно используемом пастбище урожай трав на корню может быть ниже, а продуктивность выше, чем на менее плодородном, но мало используемом для выпаса;

* во-вторых, продуцентам небольших размеров, например водорослям, свойственна высокая скорость роста и размножения, уравновешиваемая интенсивным потреблением их в пищу другими организмами и естественной гибелью. Поэтому продуктивность их может быть не меньше чем у крупных продуцентов (например, деревьев), хотя на корню биомасса может быть мала. Иными словами, фитопланктон с такой же продуктивностью, как у дерева, будет иметь намного меньшую биомассу, хотя мог бы поддерживать жизнь животных такой же массы.

Одним из следствий описанного являются «перевернутые пирамиды» (рис. 3, б). Зоопланктон биоценозов озер и морей чаще всего обладает большей биомассой, чем его пища - фитопланктон, однако скорость размножения зеленых водорослей настолько велика, что в течение суток они восстанавливают всю съеденную зоопланктоном биомассу. Тем не менее в определенные периоды года (во время весеннего цветения) наблюдают обычное соотношение их биомасс (рис. 6) Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004..

Рис. 6. Сезонные изменения в пирамидах биомассы озера (на примере одного из озер Италии): цифры - биомасса в граммах сухого вещества, приходящегося на 1 м 3

Кажущихся аномалий лишены пирамиды энергий, рассматриваемые далее.

Пирамида энергий. Самым фундаментальным способом отражения связей между организмами разных трофических уровней и функциональной организации биоценозов является пирамида энергий, в которой размер прямоугольников пропорционален энергетическому эквиваленту в единицу времени, т.е. количеству энергии (на единицу площади или объема), прошедшей через определенный трофический уровень за принятый период (рис. 7) Там же.. К основанию пирамиды энергии можно обоснованно добавить снизу еще один прямоугольник, отражающий поступление энергии Солнца.

Пирамида энергий отражает динамику прохождения массы пищи через пищевую (трофическую) цепь, что принципиально отличает ее от пирамид численности и биомасс, отражающих статику системы (количество организмов в данный момент). На форму этой пирамиды не влияют изменения размеров и интенсивности метаболизма особей. Если учтены все источники энергии, то пирамида всегда будет иметь типичный вид (в виде пирамиды вершиной вверх), согласно второму закону термодинамики.

Рис. 7. Пирамида энергии: цифры - количество энергии, кДж * м -2 *r -1

Пирамиды энергий позволяют не только сравнивать различные биоценозы, но и выявлять относительную значимость популяций в пределах одного сообщества. Они являются наиболее полезными из трех типов экологических пирамид, однако получить данные для их построения труднее всего.

Одним из наиболее удачных и наглядных примеров классических экологических пирамид служат пирамиды, изображенные на рис. 8 Николайкин Н. И. Экология: Учеб. для вузов / Н. И. Николайкин, Н. Е. Николайкина, О. П. Мелехова. - 3-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004.. Они иллюстрируют условный биоценоз, предложенный американским экологом Ю. Одумом. «Биоценоз» состоит из мальчика, питающегося только телятиной, и телят, которые едят исключительно люцерну.

Рис.

Правило 1% Экология. Курс лекций. Составил: к.т.н., доцент Тихонов А.И., 2002.. Точки Пастера, как и закон пирамиды энергий Р. Линдемана, дали повод для формулировки правил одного и десяти процентов. Конечно, 1 и 10 - числа приближенные: около 1 и примерно 10.

«Магическое число» 1% возникает из соотношения возможностей потребления энергии и «мощностей», необходимых для стабилизации среды. Для биосферы доля возможного потребления общей первичной продукции не превышает 1% (что следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% - беспозвоночные как консументы низших порядков и оставшуюся часть - бактерии и грибы-сапрофаги). Как только человечество на грани прошлого и нашего веков стало использовать большее количество продукции биосферы (сейчас не менее 10%), так перестал удовлетворяться принцип Ле Шателье - Брауна (видимо, примерно с величины 0,5% от общей энергетики биосферы): растительность не давала прироста биомассы в соответствии с увеличением концентрации СО 2 и т.д. (прирост количества связанного растениями углерода наблюдался лишь в прошлом веке).

Эмпирически порог потребления 5 - 10% от суммы вещества, приводящий с переходом через него к заметным изменениям в системах природы, достаточно признан. Принят он главным образом на эмпирико-интуитивном уровне, без различения форм и характера управления в этих системах. Ориентировочно можно разделить намечающиеся переходы для природных систем с организменным и консорционным типом управления с одной стороны, и популяционных систем с другой. Для первых интересующие нас величины - порог выхода из стационарного состояния до 1% от потока энергии («нормы» потребления) и порог саморазрушения - около 10% от этой «нормы». Для популяционных систем превышение в среднем 10% объема изъятия приводит к выходу этих систем из стационарного состояния.

В соответствии с законом пирамиды энергий, с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой ее уровень в среднем не более 10% энергии - этоправило десяти процентов. Закон пирамиды энер­гий позволяет делать расчеты необходимой земельной площади для обес­печения населения продовольствием и другие эколого-экономические подсчеты. Среднемаксимальный переход энергии (или вещества в энер­гетическом выражении) с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, составляя 10%, может колебаться в пределах 7-17%. Превышение этой величины недопустимо, иначе могут произойти пол­ные исчезновения популяций.

Правило одного процента - изменение энергетики природной системы в пределах одного процента выводит природную систему из равновесного (квазистационарного) состояния. Эмпирически это правило подтверждает­ся исследованиями климата и других природных процессов.

Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные ци­клоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность нашей планеты. Пере­ход энергетики процесса за это значение обычно приводит к существен­ным аномалиям - резким климатическим отклонениям, переменам в ха­рактере растительности, крупным лесным и степным пожарам.

Как и в случае правила десяти процентов, многое зависит от состоя­ния природной системы, в которой происходят изменения. Это делает данное правило вероятным, дает лишь ориентиры, которым целесообраз­но следовать или учитывать возможную с большой вероятностью цепь событий, связанных с выходом системы из равновесного (квазистацио­нарного) состояния.

Особое значение правило данного процента имеет для глобальных сис­тем . Их энергетика, как предполагают, принципиально не может пре­взойти уровень примерно 0,2% от поступающей солнечной радиации (уровень энергетики фотосинтеза) без катастрофических последствий. Вероятно, это непреодолимый и недопустимый для человечества порог (из него следует и "ядерная зима").

Рис. 2. Тепловая энергия, теряющаяся при дыхании

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организ­мов, называютцепями выедания (пастбищными, цепями потребления).

Цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экс­крементов животных - детритные цепи разложения.

Трофические цепи не изолированы друг от друга; тесно переплетаясь, они образуют трофические сети . Благодаря трофическим связям в экоси­стеме происходит трансформация биогенных веществ и аккумуляция энергии с последующим распределением их между видами и популяциями. Чем богаче видовой состав, тем разнообразнее направление и скорость потоков энергии в экосистеме.

Трофические цепи питания основываются на:

- втором законе термодинамики, согласно которому некоторая часть энергии рассеивается и становится недоступной для использования в виде тепловой энергии;

В экосистемах разных типов мощность потоков энергии через цепи вы­едания и разложения различна:

В водных сообществах часть энергии, фиксированной одноклеточными водорослями, поступает к питающимся фитопланктоном животным, да­лее к хищникам и уже меньшая часть включается в цепи разложения;

В большей части экосистем суши наблюдается обратное соотношение. Так, в лесах более 90% ежегодного прироста растительной массы поступает через опад в детритные цепи.

Число звеньев в цепи питания может быть различным, но в основном их обычно бывает от 3 до 5.

Совокупность организмов, объединенных определенным типом питания, носит название"трофический уровень". Различают:

Первый уровень, который занимают автотрофы (продуценты);

Второй - растительноядные животные (консументы первого порядка);

Трофических уровней может быть и больше, когда учитываются пара­зиты, живущие на консументах предыдущих уровней.

Примером цепи питания может служить цепь питания биологического биоценоза.

Например, начинается цепь с улавливания солнечной энергии: цветком. Бабочка, питающаяся нектаром цветка, представляет собой второе звено в этой цепи. Стрекоза нападает на бабочку. А спрятавшаяся лягушка ловит стрекозу, но сама является добы­чей для ужа, который в свою очередь будет съеден ястребом. Цепь питания замкнулась. Потенциальным (но не обязательным) заключительным звеном пищевой цепи является человек.

Все рассмотренные выше процессы связаны с синтезом и трансфор­мацией органического вещества в трофических сетях и характеризуют "пастбищные цепи".

"Детритные цепи" начинаются с разложения мертвой органики особыми группами консументов - сапрофагами . Сапрофаги механически, а отчасти и химически, разрушают мертвое органическое вещество, подготавливая его к воздействию редуцентов. В наземных экосистемах этот процесс (по большей части) проходит в подстилке и в почве. Активное участие в раз­ложении мертвого органического вещества принимают почвенные беспо­звоночные животные (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Процесс деструкции идет последовательно, сапрофаги меняют друг друга в соот­ветствии со спецификой видового питания. Механическое разрушение производят крупные сапрофаги (например, насекомые), а процесс мине­рализации осуществляют уже другие организмы (прежде всего бактерии и грибы).

Поскольку сообщества сапрофагов отличаются относительно слабой жесткостью организации, то в детритных цепях идут стохастические про­цессы формирования сапрофагов, отдельные их виды легко заменяются другими видами, велика роль внешних факторов среды обитания и кон­курентного исключения (Н.М. Чернова, Н.А. Кузнецова, 1986). То есть с уровня консументов поток органического вещества идет по разным груп­пам потребителей: живое органическое вещество идет по "пастбищным цепям", а мертвое - по "детритным цепям".

Продуктивность экосистемы

Зависимость между продуктивностью и климатическими характеристика­ми. Все организмы нуждаются для построения своих тел в веществе, а для поддержания своей жизнедеятельности - в энергии. Солнечный свет, двуокись углерода, вода и минеральные соли - это ресурсы, необходимые для создания первичной продукции. На скорость фотосинтеза оказывает существенное влияние и температура. Качество и количество света, наличие воды и биогенных элементов, а также температура - весьма изменчивые факторы, которые способны лимитировать первичную продукцию.

На каждый квадратный метр земной поверхности ежеминутно попа­дает от 0 до 5 Дж солнечной энергии . По спектральному составу только около 44% падающего коротковолнового света пригодно для синтеза, а значительная доля солнечной энергии растениям недоступна. Наиболее высокой эффективностью использования солнечной энергии обладают хвойные леса: 1-3% физиологически активной "радиации (ФАР) они превращают в биомассу. Листопадные леса превращают в биомассу только 0,5-1% ФАР, а пустыни еще меньше - 0,01-0,02%. Максимальная эффективность фотосинтеза зерновых культур при идеальных условиях не превышает 3-10%.

Использование доступного для растения света немного улучшается при хорошей обеспеченности и другими ресурсами.

Вода - незаменимый ресурс и как составная часть клетки, и как уча­стник фотосинтеза. Потому продуктивность всегда тесно связана с коли­чеством выпадающих осадков.

температура среды. Эта зависимость носит сложный характер.

Продукция наземного сообщества зависит и от содержания в почве не­обходимых для растений различных микроэлементов . Особенно большое влияние оказывают соединения азота. Причем их происхождение должно быть биологическим, т. е. результатом фиксации азота микроорганизма­ми, а не геологическим.

На продуктивность существенное влияние оказывает и деятельность человека . По мере развития сельского хозяйства в направлении получе­ния максимума продукции воздействие на природу, обусловленное пере­распределением энергии и веществ на поверхности Земли, постоянно возрастает. Совершенствование орудий труда, внедрение высокоурожай­ных культур и сортов, требующих большого количества питательных ве­ществ, стали резко нарушать природные процессы.

Разрушительно действуют необоснованные земледельческие приемы и сис­темы земледелия, которые вызывают:

Эрозию почв и утрату плодородного слоя;

Засоление и заболачивание орошаемых массивов;

Снижение биологического разнообразия естественных ландшафтов;

Загрязнение поверхностных и подземных вод остатками пестицидов и нитратов;

Исчезновение диких животных в результате разрушения мест их оби­тания и многое другое.

Для регулирования и решения этих проблем предлагают научно обос­нованные приемы и способы, позволяющие в определенных случаях лишь частично предотвратить или снизить нежелательные эффекты, воз­никающие при получении первичной биологической продукции. В по­следние десятилетия все активнее вводятся экологические ограничения.

Существует объективный природный предел - порог снижения есте­ственного плодородия, при приближении к которому вся техническая мощь человека становится менее эффективной. Во второй половине XX в. произошло существенное увеличение первичной биологической продук­ции за счет внедрения новых высокоурожайных сортов зерновых культур, применения большого количества минеральных удобрений и использо­вания средств защиты растений. Однако этот показатель перестал расти, что явилось отражением действия закона снижения энергетической эф­фективности природопользования .

Но численность человечества продолжает расти, а плодородной земли больше не становится. Поэтому увеличение КПД зеленых растений является наиболее насущной проблемой при решении первейших задач жизнеобеспе­чения человека. В табл. 4 проведен один из вариантов расчета первичной продукции земного шара по итогам исследований П. Дювиньо.

Из данных табл. 4 видно, что экосистема океана дает половину всей продукции планеты, леса - третью часть, а пашни (вместе со степями) - около одной десятой.

При подсчете вторичной продукции экосистем производят вычисле­ния отдельно для каждого трофического уровня, потому что при движе­нии энергии от одного трофического уровня к другому она прирастает за счет поступления с предыдущего уровня. При изучении общей продук­тивности экосистемы следует помнить, что прирост вторичной продук­ции всегда происходит не параллельно росту первичной, а за счет унич­тожения какой-то ее части. То есть происходит как бы изъятие, вычита­ние вторичной продукции из общего количества первичной. Поэтому оценку продуктивности экосистем всегда проводят по первичной про­дукции. В целом вторичная продуктивность колеблется в пределах от 1 до 10%, а это в свою очередь зависит от свойств животных и особенно­стей поедаемого или корма.

Похожая информация.

Главная » Звезды » Контрольная работа по биологии в формате Всероссийской проверочной работы за первое полугодие (11 класс). Пирамида численности