9 класс. Биология. Тема урока: «Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме»

9 класс. Биология.Тема урока: «Круговорот веществ и поток энергии в экосистеме»

Л.р. 10. «Цепи питания обитателей аквариума»

Тип урока: комбинированный

образовательные - дать представление о круговороте веществ и потоке энергии в экосистеме, помочь учащимся в изучении большого и малого круговорота в-в; круговорота углерода в природе;

расширять объем представлений об экосистеме, цепях и сетях питания;

воспитательные - формировать научное мировоззрение учащихся; развивать умение работать в группе; формировать культуру труда; экологическое и природоохранное воспитание

учащихся.

развивающие - развивать умение работать с дополнительной литературой; раздаточным материалом, побуждать учащихся к установлению логических

связей, будить воображение учащихся, обеспечивать речевую активность учащихся, пробудить и развивать любознательность.

Оборудование к уроку: компьютер, интерактивная доска, иллюстрации, видеоролики, учебник

Структура УРОКА

1. Организационная часть - 2-3 мин.

2. Актуализация опорных знаний - 8 мин

3. Мотивация учебной деятельности - 3 мин

4. Сообщение новых знаний - 15-18мин.

5. Закрепление знаний - 5-10 мин.

6. Сообщение задания на дом - 3-4 мин.

7. Завершение урока, рефлексия - 1-2 мин.
   
   

ХОД УРОКА

1. Организационная часть

2. Актуализация опорных знаний

3. Мотивация учебной деятельности

В развитых, сложившихся экосистемах существуют пищевые взаимодействия м/у автотрофными и гетеротрофными организмами. Одни организмы поедаются другими, и таким образом осуществляется цепной перенос вещества и энергии в экосистемах, лежащий в основе круговорота в-в в природе.

Демонстрация иллюстрации «Круговорот углерода»

Цель нашего урока - продолжить изучение закономерности переноса вещества и энергии в экосистемах, рассмотреть понятие о биологическом круговороте веществ и потоке энергии в экосистемах.

4. Сообщение новых знаний

Экосистема - это любое единство, включающее все организмы и весь комплекс физико-химических факторов и взаимодействующее с внешней средой. Экосистемы - это основные природные единицы на поверхности Земли. Учение об экосистемах было создано английским ботаником Артуром Тенсли (1935).
Для экосистем характерен разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между их живыми и неживыми компонентами. При изучении экосистем особое внимание уделяется функциональным связям между организмами, потокам энергии и круговороту веществ. Пространственно-временные границы экосистем могут выделяться достаточно произвольно. Экосистема может быть и долговечной (например, биосфера Земли) , и кратковременной (например, экосистемы временных водоемов) . Экосистемы могут быть естественными и искусственными. С точки зрения термодинамики, естественные экосистемы - всегда открытые системы (обмениваются с внешней средой веществом и энергией) ; искусственные экосистемы могут быть изолированными (обмениваются с внешней средой только энергией).

Энергия, содержащаяся в органическом веществе одних организмов, потребляется другими организмами. Перенос веществ и заключенной в них энергии от автотрофов к гетеротрофам, что происходит в результате поедания одними организмами других, называется пищевой цепью (цепью питания, трофической цепью) (рис. 1).

Огромную роль в воспроизводстве жизни играет энергия Солнца. Количество этой энергии очень велико (примерно 55 ккал на 1 см² в год). Из этого количества продуценты - зеленые растения - в результате фотосинтеза фиксируют не более 1-2 % энергии, а пустыни и океан - сотые доли процента.

Число звеньев в пищевой цепи может быть различным, но обычно их 3-4 (реже 5). Дело в том, что к конечному звену пищевой цепи поступает так мало энергии, что ее не хватит в случае увеличения числа организмов.

Рис. 1. Пищевые цепи в наземной экосистеме

Совокупность организмов, объединенных одним типом питания и занимающих определенное положение в пищевой цепи, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней.

Первый трофический уровень занимают автотрофы, зеленые растения (продуценты), первичные потребители солнечной энергии; второй - растительноядные животные (фитофаги, консументы первого порядка); третий - хищники, питающиеся растительноядными животными (консументы второго порядка), и паразиты первичных консументов; вторичные хищники (консументы третьего порядка) и паразиты вторичных консументов образуют четвертыйтрофический уровень. Организмы, стоящие на каждом трофическом уровне, приспособлены природой для потребления определенного вида пищи, в качестве которой выступают организмы предыдущего трофического уровня (или нескольких предыдущих уровней).

Простейшая пищевая цепь (или цепь питания) может состоять из фитопланктона, затем идут более крупные травоядные планктонные ракообразные (зоопланктон), а заканчивается цепь китом (или мелкими хищниками), которые фильтруют этих ракообразных из воды.

Природа сложна. Все ее элементы, живые и неживые, - одно целое, комплекс приспособленных друг к другу, взаимодействующих и взаимосвязанных явлений и существ. Это звенья одной цепи. И если удалить из общей цепочки хотя бы одно такое звено, результаты могут быть непредвиденными.

Особенно негативно разрыв цепей питания может сказаться на биоценозах леса - будь то лесные биоценозы умеренной зоны либо отличающиеся богатым видовым разнообразием биоценозы тропического леса. Многие виды деревьев, кустарников или травянистых растений пользуются услугами определенного опылителя - пчелы, осы, бабочки или колибри, обитающих в пределах ареала данного растительного вида. Как только погибнет последнее цветущее дерево или травянистое растение, опылитель вынужден будет покинуть данное местообитание. В результате погибнут питающиеся этими растениями или плодами дерева фитофаги (травоядные). Без пиши останутся охотившиеся на фитофагов хищники, а далее изменения последовательно коснутся остальных звеньев пищевой цепи. В итоге они скажутся и на человеке, поскольку у него есть свое определенное место в пищевой цепи.

Пищевые цепи можно разделить на два основных типа: пастбищную и детритную. Пищевые цени, которые начинаются с автотрофных фотосинтезирующих организмов, называются пастбищными, или цепями выедания. На вершине пастбищной цепи стоят зеленые растения. На втором уровне пастбищной цепи обычно находятся фитофаги, т.е. животные, питающиеся растениями. Примером пастбищной пищевой цепи могут служить взаимоотношения между организмами на пойменном лугу. Начинается такая цепь с лугового цветкового растения. Следующее звено - бабочка, питающаяся нектаром цветка. Затем идет обитатель влажных местообитаний - лягушка. Ее покровительственная окраска позволяет ей подстеречь жертву, но не спасает от другого хищника - обыкновенного ужа. Цапля, поймав ужа, замыкает пищевую цепь на пойменном лугу.

Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детрита, она называется детритной, или цепью разложения. Термин «детрит» означает продукт распада. Он позаимствован из геологии, где детритом называют продукты разрушения горных пород. В экологии детрит - это органическое вещество, вовлеченное в процесс разложения. Такие цепи характерны для сообществ дна глубоких озер, океанов, где многие организмы питаются за счет оседания детрита, образованного отмершими организмами верхних освещенных слоев водоема.

В лесных биоценозах детритная цепь начинается с разложения мертвого органического вещества животными-сапрофагами. Наиболее активное участие в разложении органики здесь принимают почвенные беспозвоночные животные (членистоногие, черви) и микроорганизмы. Присутствуют и крупные сапрофаги - насекомые, которые готовят субстрат для организмов, осуществляющих процессы минерализации (для бактерий и грибов).

В отличие от пастбищной цепи размеры организмов при движении вдоль детритной цепи не возрастают, а, наоборот, уменьшаются. Так, на втором уровне могут стоять насекомые-могильщики. Но наиболее типичными представителями детритной цепи являются грибы и микроорганизмы, питающиеся мертвым веществом и довершающие процесс разложения биоорганики до состояния простейших минеральных и органических веществ, которые затем в растворенном виде потребляются корнями зеленых растений на вершине пастбищной цепи, начиная тем самым новый круг движения вещества.

В одних экосистемах преобладают пастбищные, в других - детритные цепи. Например, лес считается экосистемой с преобладанием детритных цепей. В экосистеме гниющего пня пастбищная цепь вообще отсутствует. В то же время, например, в экосистемах поверхности моря практически все продуценты, представленные фитопланктоном, потребляются животными, а их трупы опускаются на дно, т.е. уходят изданной экосистемы. В таких экосистемах преобладают пастбищные пищевые цепи, или цепи выедания.

Общее правило, касающееся любой пищевой цепи, гласит: на каждом трофическом уровне сообщества большая часть поглощаемой с пищей энергии тратится на поддержание жизнедеятельности, рассеивается и больше не может быть использована другими организмами. Таким образом, потребленная пища на каждом трофическом уровне ассимилируется не полностью. Значительная ее часть расходуется на обмен веществ. При переходе к каждому последующему звену пищевой цепи общее количество пригодной для использования энергии, передаваемой на следующий, более высокий трофический уровень, уменьшается.

Трофическую структуру биоценоза и экосистемы обычно отображают графическими моделями в виде экологических пирамид. Такие модели разработал в 1927 г. английский зоолог Ч. Элтон.

Экологические пирамиды - это графические модели (как правило, в виде треугольников), отражающие число особей (пирамида чисел), количество их биомассы (пирамида биомасс) или заключенной в них энергии (пирамида энергии) на каждом трофическом уровне и указывающие на понижение всех показателей с повышением трофического уровня.

Различают три типа экологических пирамид.

Пирамида чисел

Пирамида чисел (численностей) отражает численность отдельных организмов на каждом уровне. В экологии пирамида численностей используется редко, так как из-за большого количества особей на каждом трофическом уровне очень трудно отобразить структуру биоценоза в одном масштабе.

Чтобы уяснить, что такое пирамида чисел, приведем пример. Предположим, что в основании пирамиды 1000 т травы, массу которой составляют сотни миллионов отдельных травинок. Этой растительностью смогут прокормиться 27 млн кузнечиков, которых, в свою очередь, могут употребить в пищу около 90 тыс. лягушек. Сами лягушки могут служить едой 300 форелям в пруду. А это количество рыбы может съесть за год один человек! Таким образом, в основании пирамиды несколько сотен миллионов травинок, а на ее вершине - один человек. Такова наглядная потеря вещества и энергии при переходе с одного трофического уровня на другой.

Иногда случаются исключения из правила пирамид, и тогда мы имеем дело с перевернутой пирамидой чисел. Это можно наблюдать в лесу, где на одном дереве живут насекомые, которыми питаются насекомоядные птицы. Таким образом, численность продуцентов меньше, нежели консументов.

Пирамида биомасс

Пирамида биомасс - соотношение между продуцентами и консументами, выраженное в их массе (общем сухом весе, энергосодержании или другой мере общего живого вещества). Обычно в наземных биоценозах общий вес продуцентов больше, чем консументов. В свою очередь, общий вес консументов первого порядка больше, нежели консументов второго порядка, и т.д. Если организмы не слишком различаются по размерам, то на графике, как правило, получается ступенчатая пирамида с сужающейся верхушкой.

Американский эколог Р. Риклефс объяснял структуру пирамиды биомасс так: «В большинстве наземных сообществ пирамида биомасс сходна с пирамидой продуктивности. Если собрать все организмы, обитающие на каком-нибудь лугу, то вес растений окажется гораздо больше веса всех прямокрылых и копытных, питающихся этими растениями. Вес этих растительноядных животных в свою очередь будет больше веса птиц и кошачьих, составляющих уровень первичных плотоядных, а эти последние также будут превышать по весу питающихся ими хищников, если таковые имеются. Один лев весит довольно много, но львы встречаются столь редко, что вес их, выраженный в граммах на 1 м², окажется ничтожным».

Как и в случае с пирамидами чисел, можно получить так называемую обращенную (перевернутую) пирамиду биомасс, когда биомасса продуцентов оказывается меньше, чем консументов, а иногда и редуцентов, и в основании пирамиды находятся не растения, а животные. Это касается в основном водных экосистем. Например, в океане при довольно высокой продуктивности фитопланктона общая масса его в данный момент может быть меньше, чем у зоопланктона и конечного потребителя-консумента (киты, крупные рыбы, моллюски).

Пирамида энергии

Пирамида энергии отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь. На структуру биоценоза в большей степени оказывает влияние не количество фиксированной энергии, а скорость продуцирования пищи.

Все экологические пирамиды строятся по одному правилу, а именно: в основании любой пирамиды находятся зеленые растения, а при построении пирамид учитывается закономерное уменьшение от ее основания к вершине численности особей (пирамида чисел), их биомассы (пирамида биомасс) и проходящей через пищевые цени энергии (пирамида энергии).

В 1942 г. американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергии, согласно которому с одного трофического уровня на другой через пищевые цени переходит в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды. Остальная часть энергии тратится на обеспечение процессов жизнедеятельности. В результате процессов обмена организмы теряют в каждом звене пищевой цепи около 90 % всей энергии. Следовательно, для получения, например, 1 кг окуней должно быть израсходовано приблизительно 10 кг рыбьей молоди, 100 кг зоопланктона и 1000 кг фитопланктона.

Общая закономерность процесса передачи энергии такова: через верхние трофические уровни энергии проходит значительно меньше, чем через нижние. Вот почему большие хищные животные всегда редки, и нет хищников, которые питались бы, к примеру, волками. В таком случае они просто не прокормились бы, настолько волки немногочисленны.

5. Закрепление знаний

1. Определите правильно составленную пастбищную цепь питания:

б) трава -» кузнечик -» лягушка -» уж;

2. Составьте пищевую цепь из следующих обитателей лесного сообщества: гусеницы, синицы, дубы, коршуны.

Дубы -» гусеницы -» синицы -» коршуны.

3. Определите функциональную роль в экосистеме следующих организмов: а) аскарида; б) волк; в) гнилостная бактерия; г) дятел; д) жук-навозник; е) жук-олень; ж) ель; з) клещ; и) подосиновик; к) сосна; л) сосновая пяденица; м) хлорелла; н) ястреб.

Продуценты: ж, к, м;
Консументы: б, г, з, е, л, и, а;
Редуценты: в, д, з;

Составьте цепь питания из пяти трофических уровней, выбрав необходимые организмы из приведенного выше перечням.

Сосна -» сосновая пяденица -» дятел -» ястреб -» клещ.

4. Составьте две цепи питания из предложенного перечня организмов: белка, лягушка, ель, бабочка, куница, змееяд, стрекоза, чертополох, уж.

• Чертополох -» стрекоза -» лягушка -» уж -» змееяд

• Ель -» белка -» куница

5. Дополните схемы следующих цепей питания:

а) тимофеевка луговая -» бабочка -» лягушка -» змея;
б) опавшая листва -» червь -» грибы -» бактерии.

К какому типу относятся эти цепи питания?

а) пастбищная цепь питания
б) детритная цепь питания

6. Составьте сеть питания организмов, обитающих в школьном аквариуме. Объясните, почему исключение из этой системы моллюсков и инфузорий приведет к резкому нарушению ее равновесия.

Л.р. 10. «Цепи питания обитателей аквариума»

Цель: Определите, какие организмы живут в аквариуме и составить все возможные пищевые цепи в аквариумной экосистеме

Оборудование: инструктивные карточки

Ход работы

1. Постройте цепи питания

2. сравните аквариум с естественным водоемом. что общего и какие различия у этих систем

3. сделайте вывод

6. Сообщение задания на дом прочитать параграф, ответить на вопросы

7. Завершение урока, рефлексия

На уроке я узнал….

Меня удивило….

Мне было интересно….

На уроке мне не понравилось…

Я хотел бы узнать о……

6