Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология»
Скачать 2.67 Mb.
|
| Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Ставропольский государственный аграрный университет Пища как экологический фактор учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Ставрополь 2004 Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Ставропольский государственный аграрный университет Пища как экологический фактор учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» Ставрополь 2004 УДК ББК Авторы-составители: Трухачев В.И., док. с.-х. наук, профессор, ректор Ставропольскго государственного аграрного университета; Толоконников В.П., докт. вет. наук, профессор, зав. кафедрой паразитологии и ветсанэкспертизы СГАУ; Лысенко И.О., к.б.н., доцент кафедры экологии СГАУ Рецензенты: Сигида С.И.., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой зоологии СГУ; Терновой В.И., д.б.н., профессор кафедры зоологии и зоогигиены СтГАУ. Пища как экологический фактор. Учебное пособие по дисциплине «Биология и биоэкология» для студентов, обучающихся по специальности 030500.10 – Профессиональное образование и 013400 - Природопользование – Ставрополь: СГАУ. – 2004. Учебное пособие «Пища как экологический фактор» являющееся одним из основных разделов дисциплины «Биология и биоэкология» построено в соответствии с государственным общеобразовательным стандартом. Данное учебное пособие содержит теоретический материал, в котором отражены все основные разделы необходимые для полного и глубокого изучения процессов питания живых организмов, их типах и особенностях, а также практические задания, темы рефератов, вопросы к коллоквиумам и вопросы для самоконтроля знаний студентов. Может использоваться как основной, так и дополнительный материал по теме «Питание живых организмов». Для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области экологии, охраны окружающей среды и преподавателей. Учебное пособие печатается по решению методического совета Ставропольского государственного аграрного университета. Протокол № от ноября 2004г. ФГОУ ВПО Ставропольский государственный аграрный университет, 2004. Предисловие Питание — это приобретение энергии и материалов, необходимых для поддержания жизни. Оно обеспечивает две основные потребности живых организмов — потребность в энергии и потребность в строительных материалах, которые запасаются в виде химических соединений, называемых питательными веществами. Они могут быть органическими, такие как углеводы, липиды, белки и витамины, и неорганическими, такие как минеральные соли. Мы потребляем пищу, которая главным образом и содержит эти питательные вещества. В широком смысле диета — это режим питания человека (количество и качество потребляемой им пищи, а также соблюдение времени приема пищи). Питание – один из важнейших факторов связи живых организмов с внешней средой. Поэтому проблема питания – является одним из важнейших вопросов стоящих перед биологами и экологами. Данное учебное пособие содержит все основные разделы необходимые для полного и глубокого изучения процессов питания живых организмов, их типах и формах, нормах и правилах питания человека, экологии питания. Учебное пособие состоит из 5 глав, в которых отражена теоретическая основа для изучения питания живых организмов. По ходу изучаемого материала предложены вопросы для самоконтроля знаний студентов. Кроме того, в конце пособия разработаны вопросы и задания для практического выполнения, и темы рефератов для самостоятельной работы студентов. Список основной и дополнительной литературы поможет студентам в подготовке рефератов, а преподавателям при подготовке лекционного материала. На наш взгляд, данное учебное пособие может быть использовано на лабораторных и практических занятиях при изучении курса «Биология и биоэкология» для студентов биологических специальностей и по специальностям экология и природопользование, при подготовке к семинарским занятиям в качестве дополнительного источника информации. Методическая разработка рекомендуется слушателям спецкурсов в качестве основного и дополнительного материала, а также может быть использована в кружковой работе. Введение Существует множество определений понятия «жизнь». Одно из них звучит так: жизнь это специфическая структура, способная к самовоспроизведению (размножению) и самоподдержанию с затратой энергии. Понятие энергии можно определить, как способность производить работу. Энергия не исчезает и не создается вновь, а из одной формы переходит в другую (закон сохранения энергии). Формы энергии могут быть самые разнообразные: химическая, тепловая, электрическая, световая или звуковая. Перечислим некоторые процессы, для которых живым организмам требуется энергия:
Как уже было отмечено, чтобы расти, увеличивать массу, производить потомков и залечивать раны, необходим приток новых веществ и энергии. Часто оба притока совпадают: съедая сахар, мы запасаемся энергией, которая в нем содержится и выделяется при окислении сахара до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О). Чтобы жить, живые существа должны быть открытыми системами, осуществляющими обмен веществ. Изолируйте живое существо от окружающей среды, и оно погибнет. Некоторые простейшие организмы могут. Конечно, пережить отсутствие обмена. Таковы вирусы (в пробирке они могут кристаллизоваться как простые химические соединения), споры бактерий, покоящиеся стадии развития многих животных и растений. В этом состоянии скрытой жизни (анабиозе) они могут быть высушены и выдерживают низкие температуры, почти до абсолютного нуля (- 273С). Но ни расти, ни размножаться они в этом состоянии не могут. Обмен веществ состоит из двух противоположных процессов: ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – «уподобление». Живое существо ассимилирует из внешней среды нужные ему вещества и превращает их в вещества, для него специфичные. Этот процесс требует энергии, для получения которой организмы расходуют большую часть потребляемой пищи. При этом неизбежны отходы. Они же возникают при разрушении поврежденных структур и создании новых. Отходы живые существа выделяют в виде простых, неспецифических для них соединений (Н2О, СО2, NО3 и ряда других). Этот процесс называется диссимиляцией. Живые организмы получают энергию из окружающей среды и используют ее на поддержание и усиление своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию. Зеленые растения используют эту энергию для синтеза питательных веществ, потребляемых как самими растениями, так и буквально всеми другими организмами, живущими на Земле. Все организмы используют энергию, содержащуюся в их пище, для поддержания своего существования, роста и размножения. ГЛАВА I. КЛАССИФИКАЦИЯ ОРГАНИЗМОВ В СООТВЕТСТВИИ С ИСТОЧНИКАМИ УГЛЕРОДА И ЭНЕРГИИ Питание это – приобретение энергии вещества. Самым главным элементом, необходимым всем живым организмам, является углерод. Живые организмы могут быть сгруппированы на основе источников энергии и углерода. Зеленые растения, цианобактерии и серобактерии – это фототрофы, т.е. источником энергии для их жизнедеятельности служит свет. Но не менее многочисленны на нашей планете и хемотрофы – организмы, использующие не световую энергию, а энергию заключенную непосредственно в молекулах тех или иных веществ. К хемотрофам относятся все животные, грибы и очень многие бактерии. При этом если животные, грибы и значительная часть бактерий нуждается в довольно сложных органических соединениях, то некоторые бактерии могут довольствоваться простыми неорганическими веществами. Так, например, железобактерии получают энергию, окисляя железо: 4Fe CO3 + O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 + энергия. Существуют бактерии, которые получают энергию за счет окисления соединений азота – аммиака или нитрита. Процесс, называемый нитрификацией, чрезвычайно важен для поддержания круговорота азота на Земле. Все живые существа можно разделить на две группы в зависимости от того, какие соединения служат им источником углерода. Так, зеленые растения, цианобактерии, железобактерии, фотосинтезирующие серые, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии сходны между собой тем, что необходимый им углерод они получают из углекислого газа. Животные, грибы и большинство бактерий в качестве источника углерода используют только готовые органические соединения. Организмы первой группы – это автотрофы, т. е. «самопитающиеся», а представители второй – гетеротрофы, т.е. «питающиеся другим». Два возможных источника энергии (световая и химическая) и два источника углерода (СО2 или органическое вещество) дали четыре варианта комбинаций друг с другом, которые появились в ходе эволюции, причем на достаточно ранних ее этапах. Во-первых, фотоавтотрофы, использующие в качестве источника энергии свет, а в качестве источника углерода – СО2 . Группа фотоавтотрофных организмов включает в себя все зеленые фотосинтезирующие растения (водоросли, хлорофиллоносные споровые, голосеменные и цветковые растения), а также бактерии, осуществляющие фоторедукцию (бактериальный фотосинтез). Во-вторых, хемоавтотрофы, использующие химическую энергию, а в качестве источника углерода – СО2. Эти организмы получают энергию от некоторых реакций окисления (Fe 2+ → Fe3+; H2S → S → S2O3 → SO42-; NH3 → NO-2 → NO-3; H2 → H2O). Обладают высокой специфичностью по отношению к неорганическому источнику энергии и могут расти в строго минеральной среде, в темноте, образуя органические вещества из СО2. К ним относятся бактерии, образующие метан, бактерии, преобразующие разные соединения азота, а также серобактерии, получающие энергию за счет окисления сероводорода и других сульфидов. Последняя группа бактерий обеспечивает существование своего рода оазисов жизни на больших глубинах океана, в так называемых гидротермах – местах выхода горячих источников, богатых соединениями серы. В-третьих, фотогетеротрофы, использующие энергию света, но нуждающиеся в органическом веществе, из которого они берут углерод. Это небольшая группа бактерий, например таких, как пурпурные несерные. В-четвертых, хемогетеротрофы, живущие за счет использования энергии химических веществ и получающие углерод из органических соединений. Это очень многочисленная группа, объединяющая всех животных, грибы, многих бактерий и даже некоторые высшие растения, перешедшие к паразитическому образу жизни и поэтому утратившие способность к фотосинтезу (например, растущий в лесах средней полосы петров крест). Различают и такие группы организмов как: Миксотрофные организмы обладают смешанным типом питания: фотосинтетическим усвоением СО2 на свету, а при неблагоприятных условиях переключаются на усвоение готовых органических соединений (сахаров, органических кислот и т.п.). Метолотрофы – микроорганизмы, способные получать энергию и углерод в ходе метаболизма одноуглеродных соединений, содержащих метильную группу (СН-3), а также соединения, содержащие две или более метильных групп, не связанных непосредственно друг с другом. Литотрофные микроорганизмы осуществляют разрушение горных пород с образованием более простых соединений. • Что такое питание? • Каким образом сгруппированы живые организмы на основе источников углерода и энергии? • Охарактеризуйте группы живых организмов по источнику энергии. • Охарактеризуйте группы живых организмов по источнику углерода. 1.1. Автотрофное питание Автотрофами называются организмы, которые создают все необходимые для построения своего тела и жизнедеятельности органические вещества из неорганических веществ воздуха, воды и почвы в результате фото- и хемосинтеза. Автотрофы могут образовывать все соединения клеток из углекислого газа и других неорганических веществ. Источником энергии для них служит либо свет (фотоавтотрофные организмы), либо они получают ее при окислении минеральных соединений (хемоавтотрофные организмы), т.е. ни для конструктивных, ни для энергетических процессов органические субстраты автотрофам не требуются. Растения, ассимилируя из окружающей среды неорганические вещества, способны превращать их при действии световой энергии в качественно новую субстанцию – органическое вещество, самостоятельно обеспечивая себя всем необходимым. Не все клетки организма зеленого растения являются автотрофными. Для некоторых из них характерен гетеротрофный способ питания (временно или постоянно) – клетки камбия, зародыша, лепестки цветков, корни и др. Иногда все растение может иметь сначала автотрофный способ питания, а потом переходить на гетеротрофный (повилика) или наоборот (зародыши в начале прорастания, корневища и др.). 1.1.1. Фотосинтез Фотосинтез – это процесс образования клетками органических веществ при участии света. Существуют аэробная и анаэробная формы фотосинтеза. При аэробном фотосинтезе выделяется кислород. Зеленым растениям и цианобактериям свойственен аэробный фотосинтез. Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. т органического вещества (первичная продукция) и выделяется около 200 млн. т свободного кислорода. Значение фотосинтеза Почти все живое на Земле прямо или косвенно (как в случае с животными) зависит от фотосинтеза. В процессе фотосинтеза создаются источники углерода и энергии, доступные для живых организмов; кроме того, выделяются кислород, жизненно необходимый для аэробных форм жизни. Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО2, предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого парникового эффекта. Человечество тоже зависит от фотосинтеза, поскольку пользуется созданными в течение миллионов лет ископаемыми видами топлива. Из общего количества солнечной радиации, посылаемой к Земле, около половины достигает ее поверхности, остальное поглощается, отражается или рассеивается в атмосфере. При этом около 50% достигшей Земли радиации может возбуждать фотосинтез и, по приблизительным оценкам, примерно 0,2% используется растениями для синтеза веществ (около 0,5% той энергии, которая фактически достигает листа). Этой небольшой частью доступной энергии, в сущности, поддерживается вся жизнь. Около 40% всего фотосинтеза приходится на мельчайшие водоросли – фитопланктон, живущий в океане. Краткое изложение процессов фотосинтеза В процессе фотосинтеза из диоксида воды образуется сахар. Свет обеспечивает реакцию энергией, и она запасается в виде высокоэнергетической молекулы сахара. В процессе фотосинтеза происходит трансформация энергии света в химическую энергию сахара. Превращение световой энергии в химическую осуществляется хлорофиллом, работающим вместе с другими молекулами, расположенными на мембранах хлоропластов. Весь процесс состоит из двух стадий: световых и темновых реакций. В световых реакциях электроны переходят от одного соединения к другому вдоль электротранспортной цепи, с каждым шагом понижая свой энергетический уровень. Высвобождаемая энергия направляется на производство АТФ и восстановление НАДФ. Вода расщепляется на водород и кислород, причем последний представляет собой побочный продукт. В темновых реакциях водород (связанный с НАДФ) и АТФ используется для восстановления диоксида углерода до 3С-сахара. Суммарное уравнение этого процесса имеет следующий вид: СО2 + Н2О → (СН2О) + О2 Факторы, влияющие на фотосинтез Наиболее важные факторы, влияющие на уровень фотосинтеза, - температура, свет, диоксид углерода и кислород. На уровне самого растения на этот процесс влияют содержание хлорофилла и воды, особенности анатомии листа, концентрация ферментов. Зависимость фотосинтеза от температуры характеризуется кривой, на которой выделяются точки (зоны) минимума, оптимума максимума. Минимальная температура, при которой возможен синтез, видоспецифична и отражает приспособленность вида к температурным условиям среды. У многих видов она совпадает температурой замерзания тканевых жидкостей (—1, —2°С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до —5... —7°С. Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10—12°С ниже точки тепловой смерти. Температурный максимум фотосинтеза выше у южных растений. Оптимальной температурной зоной для фотосинтеза принято считать тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90 % своей максимальной величины; эта зона зависит от освещенности: повышается при ее увеличении и снижается в условиях затенения. Поэтому при низкой освещенности фотосинтез идет активнее при более низких температурах, а при высокой (более 3000 лк) интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры. Освещенность в своем влиянии на фотосинтез характеризуется так называемой кривой насыщения: вначале с повышением освещенности кривая потребления СО2 резко идет вверх, затем — по достижении определенного порога освещенности — нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. В этой зависимости хорошо прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещенности, чем у светолюбивых. В темноте кривые ассимиляции переходят за нулевой уровень: выделение CO2 при дыхании не компенсируется его потреблением для фотосинтеза. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации; у светолюбивых растений она располагается выше, чем у тенелюбивых. Кроме того, положение этой точки зависит от концентрации СО2 и от температуры. Диоксид углерода в процессе фотосинтеза выступает как ресурс для синтеза углеводов. Норма содержания СО2 в атмосфере составляет 0,57 мг/л. Повышение концентрации ведет к усилению фотосинтеза, но лишь до известных пределов; при концентрации 5—10 % (против нормальной — 0,03 %) фотосинтез ингибируется. В сочетании с реакцией на другие факторы колебания концентрации СО2 определяют поддержание нормального уровня фотосинтеза в разнообразных природных условиях. Такие колебания обусловлены суточным ритмом фотосинтеза, закономерными изменениями интенсивности почвенного дыхания и некоторыми другими факторами. Например, суточные колебания СО2 в густых растительных сообществах могут достигать 25 % от средних величин. Вода, тоже участвующая в процессе фотосинтеза, редко его лимитирует. Непрямым путем, однако, недостаток воды (в частности, сезонный) может быть ограничителем. Например, в западной Австралии некоторые виды растений во время засухи снижают фотосинтез на 2/3 по сравнению с весенним периодом. Лимитирующие факторы Теоретически интенсивность любого биохимического процесса, который (как, например, фотосинтез) включает серию реакций, будет ограничиваться наиболее медленной реакцией этой серии. Например, для темновых реакций требуются восстановленные НАДФ и АТФ, следовательно, они зависят от световых реакций, в ходе которых образуются эти соединения. При слабом освещении скорость их образования мала для обеспечения максимальной скорости протекания темновых реакций, поэтому можно говорить, что свет в данном случае является лимитирующим фактором. • Что такое фотосинтез? • В чем значение фотосинтеза? • Охарактеризуйте процессы, происходящие при фотосинтезе. • Какие экологические факторы оказывают влияние на фотосинтез? • В чем проявляется действие лимитирующих факторов? |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа курса основы общей экологии и рационального природпользования... Программа курса предназначена для студентов 4 курса биологического факультета по специальностям «биология» и«биоэкология» |  | Учебное пособие по дисциплине ен. 01 Математика составлено в соответствии... Учебное пособие предназначено студентам очной формы обучения. Данное пособие методические указания по выполнению самостоятельной... |
| Учебное пособие по дисциплине «Теория государства и права» Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной, заочной формам, в том числе с использованием дистанционных технологий... | | Учебное пособие по дисциплине «Основы экологии и охраны природы» Учебное пособие по дисциплине «Основы экологии и охраны природы» для студентов фармацевтического факультета (специальность 060103... |
| Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов 020400.... «Биология», профили ботаника, зоология, физиология, генетика, биоэкология; форма обучения – очная | | Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов 020400.... «Биология», профили ботаника, зоология, физиология, генетика, биоэкология; форма обучения – очная |
| Методические рекомендации по написанию и защите Биология; специальность 020201. 65 «Биология»; 020803. 65 «Биоэкология»; направление 020400. 68 «Биология» (магистратура) | | Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности «Биология» Г82 Физика природных явлений и процессов: Учеб пособие. — Балашов: Изд-во "Николаев", 2004. — 104 с |
| Основы педагогического мастерства Учебное пособие Учебное пособие к п н. Якушевой С. Д. предназначено для преподавателей и студентов (обучающихся по педагогическим специальностям... | | Учебное пособие Для специальности: 030501 Юриспруденция Ростов-на-Дону Учебное пособие «Теория конституционализма в России» составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта... |
| Биология наука о жизни Учебное пособие разработано в соответствии с программой курса, а также требованиями образовательного стандарта России к учебной дисциплине... | | Учебное пособие для студентов технического отделения по дисциплине «Немецкий язык» Учебное пособие предназначено для студентов Омгкпт технического отделения специальностей 1705, 1706 |
| Учебное пособие М.: Руссобит-М, 2001. 1 Cd-rom математика. 5 класс.... | | Психология Учебное пособие Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения и обучающихся в сокращенные сроки |
| Учебное пособие Тамбов 2002 г. Авторы составители: Кузьмина Н. В,... Учебное пособие «Создание Web-сайтов» предназначено для слушателей курсов повышения квалификации на базе Тамбовского рц фио по программе... | | Учебное пособие по дисциплине «правоохранительные органы» Организация и проведение учебной практики студентов по направлению Юриспруденция. Учебно-методическое пособие. Псков: ПсковГУ, 2011.... |
