Как изменяется баланс потока энергии через живые системы в их онтогенезе?

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

по дисциплине «Биология»

Тема: «Как изменяется баланс потока энергии через живые системы в их онтогенезе?»

Содержание

1. Основные понятия

2. Энергетический обмен, его изменения в онтогенезе

3. Биотический баланс и его составляющие

4. Концепция трофических уровней

Список использованной литературы

1. Основные понятия

Биоэнергетика - это раздел биофизики, связанный с изучением механизмов преобразования энергии в биологических системах в процессах их жизнедеятельности.

Основу биоэнергетики составляет термодинамика - наука о законах превращения энергии из одного вида и формы в другой. Термодинамика не дает ответа на вопрос, какова природа или механизм того или иного явления. Она исследует исключительно энергетическую сторону процессов и способна ответить на вопрос, возможно ли протекание данного процесса с точки зрения энергетики. В основе термодинамики лежит несколько простых принципов, прикладываемых к любым химическим процессам, где бы они ни происходили - в живых или в неживых системах.

- Первый принцип, или первый закон термодинамики;

- Второй закон термодинамики "Энтропия вселенной возрастает". Энтропия - это неупорядоченное состояние внутренней энергии. Поскольку почти все превращения энергии сопровождаются потерей некоторого количества тепла, обусловленной беспорядочным движением молекул, энтропия окружающей среды при этом повышается. Живые организмы и составляющие их клетки высокоорганизованны и поэтому их энтропия невелика. Они сохраняют это "низкоэнтропийное" состояние за счет повышения энтропии внешней среды..

Онтогенез - процесс индивидуального развития особи от возникновения до смерти - есть элементарный мономер филогенеза (структурная единица развития вида, рода, отряда, класса, типа) -универсальная единица развертывания матричной программы живой системы в пространстве и во времени.[3]

Поток энергии - её переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений (пищи).

Поток энергии направлен в одну сторону; часть поступающей солнечной энергии преобразуется сообществом и переходит на качественно более высокую ступень, трансформируясь в органическое вещество, представляющее собой более концентрированную форму энергии, чем солнечный свет, но большая часть энергии деградирует, проходит через систему и покидает ее в виде низкокачественной тепловой энергии. Энергия может накапливаться, затем снова высвобождаться или экспортироваться, но ее нельзя использовать вторично.

В отличие от энергии элементы питания, в том числе биогенные элементы, необходимые для жизни (углерод, азот, фосфор и т.д.) и вода могут использоваться многократно. Эффективность повторного использования и размер импорта и экспорта элементов питания сильно варьируют в зависимости от типа экосистемы.

Анализ энергетических схем и моделей водных экосистем позволяет получить такие фундаментальные их характеристики, как:

1. Обеспеченность пищей отдельных компонентов сообщества;

2. Соотношение их реальной и максимально возможной продукции;

3. Их доля в суммарной продукции;

4. Эффективность их функционирования;

5. Степень вовлечения мертвого органического вещества в продукционный процесс.

Все экосистемы, даже самая крупная - биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Потому концепция экосистемы должна учитывать существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы среды на входе и среды на выходе. Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ.

Масштабы изменения среды на входе и на выходе чрезвычайно сильно варьируют и зависят от нескольких переменных:

1. Размеров системы (чем она больше, тем меньше зависит от внешних условий);

2. Интенсивности обмена (чем он интенсивнее, тем больше приток и отток);

3. Сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем сильнее нарушено это равновесие, тем больше должен быть приток извне для его восстановления);

4. Стадии и степени развития системы (молодые системы отличаются от зрелых меньшей устойчивостью).

2. Энергетический обмен, его изменения в онтогенезе

Энергетический обмен -- это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов.

Процессы расщепления органических соединений у аэробных организмов происходят в три этапа, каждый из которых сопровождается несколькими ферментативными реакциями. Участие ферментов снижает энергию активации химических реакций, благодаря чему энергия выделяется не сразу (как при зажигании спички), а постепенно.

Первый этап -- подготовительный. На этом этапе молекулы сложных углеводов, жиров и белков распадаются на мелкие -- глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот -- на нуклеотиды. В этих реакциях выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап -- неполный, во время которого осуществляется бескислородное расщепление, протекает в цитоплазме клетки. Он называется также анаэробным дыханием (гликолиз) или брожением. Термин «брожение» обычно применяют к процессам, протекающим в клетках растений или микроорганизмов. На этом этапе продолжается дальнейшее расщепление веществ при участии ферментов. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы молочной кислоты. В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ и за счет энергии, выделившейся в результате их расщепления, образуются молекулы АТФ.

У других микроорганизмов процесс гликолиза завершается образованием ацетона, уксусной кислоты и др. Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. При бескислородном расщеплении глюкозы до образования молочной кислоты 40% выделяемой энергии сохраняется в молекуле АТФ, а остальная энергия рассеивается в виде теплоты.

Третий этап энергетического обмена называется аэробным дыханием, или кислородным расщеплением. Этот этап энергетического обмена также ускоряется с помощью ферментов. Вещества, образовавшиеся в клетке на предыдущих этапах, при участии кислорода распадаются на конечные продукты СО2 и Н2О. В процессе кислородного дыхания выделяется большое количество энергии, которая накапливается в молекулах АТФ. При расщеплении двух молекул молочной кислоты при доступе кислорода образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание. Все живые организмы по способу получения энергии делятся на две большие группы: автотрофные и гетеротрофные.

3. Биотический баланс и его составляющие

Впервые балансовый подход к изучению водоемов был выдвинут Россолимов1934г. Он рассматривал баланс веществ и энергии в водоеме как развернутое представление о всех фазах динамики отдельных элементов и явлений, с ним связанных. С балансом органических веществ тесно связан баланс биогенных и других элементов. Это обусловлено тем, что биогенные вещества входят в состав органических веществ. Биотические процессы образования и разрушения органического вещества представляют собой важнейшие составляющие биотического круговорота в водоемах.

Большое значение имеют представления, характеризующие скорость их образования (продукции) и разрушения (деструкции).

Разработанный Винбергом, Линдеманном и Ивлевым энергетический принцип изучения биотического круговорота, трофических взаимоотношений и биологической продуктивности водоемов в соответствии с первым законом термодинамики отражает фундаментальное положение о том, что энергия, в отличие от вещества, в цепи трофических превращений не исчезает, а может переходить из одной формы в другую.

Используя понятие «поток энергии», можно достаточно хорошо описать поведение энергии в экосистемах, поскольку превращения энергии в них идут в направлении от организмов-накопителей энергии к организмам-потребителям.

При такой энергетической трактовке биотический баланс(Р) может быть выражен простым равенством:

A - R = ±P

где A - новообразование органических веществ в водоеме; R- превращение органических веществ, связанных с процессами метаболизма у гидробионтов. В отличие от процессов новообразования, эти процессы ведут к уменьшению запасов органических веществ и заключенной в них энергии и представляют собой процессы разрушения (деструкции). Знак «±», стоящий у последнего члена балансового равенства, говорит о том, что баланс органических веществ в водоеме может быть и положительным и отрицательным. В первом случае процессы образования органических веществ преобладают над процессами деструкции и в водоеме происходит их накопление, а во втором - преобладают процессы деструкции и запасы органических веществ уменьшаются.

Балансовое равенство можно записать и в виде составляющих трансформации энергии консументами, широко используемой в практике гидробиологических исследований:

C = P + R + F

где C- рацион консументов; Р- затраты на построения тела (рост или продукция животных);R- затраты на дыхание, метаболизм животных; F- неусвоенная часть пищи, включая прижизненные выделения.

Выражение P + R = A описывает усвоенную животными часть энергии потребленной ими пищи, которая называется ассимилированной энергией (ассимиляцией, или физиологически полезной энергией пищи), а применительно к популяции и сообществу животных -потоком энергии.

Количество неусвоенной пищи может быть определено непосредственно или по величине усвояемости пищи(u), которая показывает, какую долю потребленной пищи составляет усвоенная. В первом приближении принято считать, что для нехищных животных усвояемость составляет60%, а для хищных-80%. Однако для точного сведения баланса необходимо получать надежные экспериментальные данные об усвояемости пищи животными конкретного вида в конкретных условиях. С учетом сказанного балансовое равенство можно записать в виде:

C = A + F C = A(1+u)

Входной поток у популяций гетеротрофов связан с потребленной пищей (С), а у автотрофов - с валовым фотосинтезом (Ф); выходные потоки - с неусвоенной пищей (F), дыханием, или тратами на обмен (R) и элиминацией (Е). Входные и выходные потоки не сбалансированы, разность между ними определяется изменением биомассы. Поскольку продукция определяется из равенства:

Р = dB/dt + E

то балансовое равенство может быть записано:

1. для автотрофов: Ф = P + R

2. для гетеротрофов: C = P + R + F

Для растительноядных животных оба балансовых равенства для автотрофов и гетеротрофов могут быть объединены.

Составление биотического баланса позволяет выразить в одних и тех же единицах энергии биомассу и продукцию растительных и животных организмов разной систематической принадлежности и охарактеризовать определенными величинами главнейшие этапы продукционного процесса.

Соотношение продукции и деструкции в экосистемах.

В процессе роста организмов создается органическое вещество, скорость образования которого называют продукцией. В соответствие с концепцией трофических уровней различают:

- первичную продукцию, или продукцию автотрофов (продуцентов);

- вторичную продукцию, или продукцию гетеротрофов (консументов).

Соотношение P/R в сформировавшихся (зрелых) экосистемах стремиться к единице (равновесию). Биоэнергетику экосистемы в первую очередь отражает: валовая первичная продукция, суммарное дыхание авто- и гетеротрофов и P/R.

На ранней стадии автотрофной сукцессии (развития экосистемы во времени) в среде, лишенной органических веществ, скорость образования первичной продукции, или общий (валовой) фотосинтез (P), превышает скорость дыхания сообщества (R), так что соотношение P/R > 1.

В особых условиях, когда сукцессия протекает в богатой органическими веществами среде (например, в очистном отстойнике, приустьевых акваториях), соотношение P/R < 1.

Однако в обоих случаях, согласно теории, величина P/R приближается к единице по мере развития экосистемы. Иными словами, в зрелой экосистеме наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы (т.е. суммарным дыханием сообщества). Таким образом, отношение P/R является функциональным показателем относительной зрелости экосистемы.

4. Концепция трофических уровней

Концепция трофических уровней была разработана в полном соответствии о балансе веществ и энергии Р. Линдеманномв1942. При этом он трактовал вопросы продуктивности водоемов, используя представление о трофических уровнях, которое было предложено его учителем Хатчинсоном.

Концепция трофических уровней позволила рассматривать процессы потребления, продуцирования, деструкции в экосистемах в их взаимосвязи. Однако она дает возможность получения лишь очень обобщенных и приближенных представлений о трофодинамике в экосистемах. На самом деле во многих случаях особи одного и того же вида на разных стадиях развития или при изменении внешних условий могут легко переходить с одной пищи другую, а также менять тип и способ питания.

Более строго можно описать и проанализировать картину трофических взаимоотношений в экосистемах, используя представление о трофических сетях, т.е. более разветвленной по сравнению с трофическими уровнями системе пищевых связей.

Перенос энергии пищи от ее источника - автотрофов (растений) - через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью.

Пастбищная и детритная пищевые цепи.

Пищевые цепи не изолированы друг от друга, а переплетаются друг с другом, образуя пищевые сети.

В сложных природных сообществах организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней, считаются принадлежащими к одному трофическому уровню.

Схематически концепция трофических уровней может быть представлена следующим образом:

- Часть солнечной энергии, падающей на поверхность водоема, аккумулируется фотоавтотрофами в результате фотосинтеза (первыйтрофический уровень).

- Запасенная фитопланктерами энергия используется для построения тел их потребителей - растительноядных животных (второй трофический уровень).

- Животные второго трофического уровня частично потребляются хищниками планктона, образующими запас энергии третьеготрофического уровня.

- Хищники, потребляющие животных третьего трофического уровня, могут быть потреблены животными четвертого, и последующих уровней.

Организмы первого трофического уровня называют продуцентами, а организмы последующих трофических уровней - консументами. Число выделяемых трофических уровней определяется сложностью трофических взаимоотношений организмов в экосистеме и степенью наших знаний о пищевых спектрах конкретных гидробионтов.

Поскольку на каждом трофическом уровне происходит рассеивание энергии, при переходе с одного трофического уровня на другой часть ее диссипирует в виде тепловой энергии. Рассеяние энергии может достигать 90%, что не позволяет ожидать у экологических систем высоких к.п.д. Чем короче пищевая цепь, тем больше количество энергии, доступной для популяции (сообщества). Переход к каждому следующему звену в нашей традиционной сельскохозяйственной пищевой цепи уменьшает доступную энергию примерно на порядок величины (т.е. в 10 раз).

поток энергия онтогенез биотический

Список использованной литературы

1. Александров Б.Г. Биоэнергетика организмов и водных сообществ [Текст] / Б.Г. Александров. - Одесса: Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, 2012. - 8 с.

2. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов

3. Гизуллина А.В. Вселенная - человек [Текст]: курс лекций по антропологии: учебное пособие для студентов / А.В. Гизуллина. - Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та, 2013.-- 198 с.

4. Малавенда С.С. Практикум по биологии [Текст]: учебное пособие / С.С. Малавенда, С.Е. Завалко. - Мурманск: МГТУ, 2011. - 112 с.

Размещено на Allbest.ru