Задачи по экологии. 100 задач с решениями

Борис Садыков

Задачи по экологии. 100 задач с решениями

Преамбула

Почему экология, как раздел общей биологии, занимает особое место в школьном курсе общей биологии? Да сама жизнь, отношение человека к окружающему миру, экологические проблемы, встающие перед человечеством в связи с техническим прогрессом (нередко оборачивающимся путем в никуда) заставляют относиться к дисциплине экологии с особенным пиететом.

Как репетитор по биологии много лет наблюдаю такую картину: часть учеников совершенно свободно могут изъясняться на языке экологических терминов, другая часть – наоборот, с трудом воспринимает их.

Возможно, решения некоторых задач по экологии, рассматриваемые в этом сборнике, в какой-то степени помогут учащимся лучше разбираться в школьном предмете экологии в целом.

Всевозможных заданий и задач по экологии очень и очень много. Но я разделил все задания в сборнике на две части.

В Части 1 представлены лишь решения задач на применение правила экологической пирамиды или правила Линдемана (правило 10%): при переходе с одного трофического уровня на другой, полезной энергии сохраняется не более 10%.

Несмотря на то, что эта цифра 10% является уж очень и очень условной и в разных экосистемах с различными организмами, в разное время года существенно меняется в меньшую сторону, школьные задачи по экологии следует решать, исходя из этого правила.

В Части 2 приводятся решения всевозможных других заданий по школьному курсу экологии.

Надеюсь, что решения сотни заданий этого сборника, охватывающих значительную часть подобного рода школьных заданий, окажутся полезными учащимся для решения подобных задач и для понимания проблем экологии в целом.

Часть 1. Задачи на применение правила Линдемана

1. Составить цепь питания с максимально возможным числом звеньев, последним из которых являются рыбоядные звери. Вычислить массу водорослей необходимую для существования выдры массой 25 кг, которая питается рыбой.

а) В природных цепях питания (трофических цепях) при переходе от звена к звену теряется большая часть (до 80—90 %) потенциальной энергии, рассеивающейся в виде тепла. Поэтому число звеньев (видов организмов) в цепи питания ограничено и не превышает обычно 4—5:

водоросли или водные высшие растения —> растительноядные рыбы (карась) —> рыбы хищные(щука) —> рыбоядные хищники (выдра).

б) Чтобы прокормить выдру массой 25 кг потребуется примерно 250 – 300 кг рыбы. А для прокорма такого количества рыбы потребуется примерно 2500- 3000 кг растительной продукции.

2. Подсчитать, какую массу растений сохранит пара синиц при выкармливании 5 птенцов массой по 3 г каждый.

Конечно, все расчеты подобного рода очень условные. Согласно правилу экологической пирамиды Линдемана: 5 птенцов, имеющие массу 15 г съедят 150 г гусениц (на самом деле во много раз больше, но решать надо так). Эти гусеницы съели бы 1500 г или 1,5 кг растений. Значит пара синиц, выкармливая своих птенцов, сохранят 1,5 кг растений.

3. Рассчитайте, какую биомассу растений сохранит от уничтожения гусеницей пара синиц, выкармливая 4 птенцов массой по 5 г. Какую часть общей биомассы растений это будет составлять (в %), если площадь сбора гусеницы 400 м2, а производительность растений 200 г/м2.

Для выкармливания птенцовой биомассы в 5 г х 4 = 20 г, надо 200 г гусениц, которые съели бы 2000 г растений (2 кг). Так как гусениц собирают с 400 м2, то на этой площади биомасса растений составляет 200 г х 400 = 80000 г или 80 кг. «Спасенные» синицами растения массой 2 кг составляют 2,5% от 80 кг.

4. Взрослая синица в период выкармливания потомства в день приносит корм в гнездо 400 раз. Птенцы остаются в гнезде 21 день. Допустим, что в плодовом саду живёт 10 пар синиц. Сколько яблок (в тонах) могут «сберечь» от гусениц синицы за период выкармливания птенцов, если условно представить, что они употребляют в этот период только таких насекомых? При этом необходимо взять во внимание, что одна самка гусеницы откладывает около 160 яиц, масса гусеницы около 0,5 г, а содержание сухих веществ в яблоках не превышает 5%. Процесс трансформации энергии с одного уровня на другой проходит в соответствии с правилом Линдемана.

Давайте додумывать, что вкладывали в это задание авторы-составители? Одна синица «приносит корм в гнездо 400 раз». Что дает нам эта фраза? Очевидно, имеется в виду, что каждый раз по одной гусенице в клюве. Значит за 21 день одна синица скормит птенцами 400 х 21 = 8400 гусениц, а 20 синиц (10 пар) живущих в саду скормят птенцам 8400 х 20 = 168 тыс. гусениц. (Видите, насколько эти цифры отличаются от значений, представленных в предыдущих двух заданиях?)

Такое количество гусениц весит 168000 х 0,5 г = 84000 г или 84 кг и им потребуется для жизни съесть (согласно правилу Линдемана) 84 х 10 = 840 кг яблок (в пересчете на сухую массу) или свежих яблок ими было бы съедено 840 кг х 100 : 5 = 16800 кг или почти 17 т.

При этом мы совершенно не знаем и не сможем учесть в задании, а сколько же синицы сами съедят за это время гусениц, чтобы прокормить себя? Поэтому можно считать, что синицы для выращивания своих птенцов сберегут в этом году более 17 т яблок.

Но нам еще известно по условию задачи, что «гусеница самка» отложит по 160 яиц (конечно, как Вы помните, не гусеница самка, а бабочка самка из нее вылупившаяся через год могла бы отложить 160 яиц). Если считать, что у бабочек соотношение полов равно 1:1, то потенциально синицы спасут сад еще от 168 тыс. : 2 х 160 = 13440 тыс. гусениц.

Значит всего синицы смогут обезопасить сад от 13440+168 = 13608 тыс. штук гусениц (вместе с не родившимися, но которые могли бы родиться, если бы в предыдущий год не были скормлены птенцам их будущие мамаши). А так как 1 гусеница весит 0,5 г, то вес всех гусениц будет 13608 тыс. х 0,5 г = 6804 кг.

На прокорм такого количества гусениц потребовалось бы 6804 х 10 = 68040 кг яблок. Так как, сухое вещество яблок составляет 5%, то реально гусеницы съели бы 68040 х 100 : 5 = 1360,8 т яблок.

Ответы :

1) за период выкармливания птенцов синицы «спасут» 17 т яблок;

2) с учетом темпов размножаемости бабочек, потенциальный вклад синиц в сбережении яблок в саду равен 1360,8 т (да столько яблок бы и не выросло никогда на этой территории сада).

5. Одна мышь биомассой 5 г рождает двух детенышей массой 1 г и 0,5 г . За 3-4 недели выкармливания детенышей молоком их масса становиться 5 г и 4 г соответственно. На основании правила экологической пирамиды определите, какая биомасса зерна необходима самке, чтобы выкормить своё потомство.

Поскольку биомасса двух мышат через 3-4 недели увеличилась на (5 + 4) – (1 + 0,5) = 7,5 г, то, согласно правилу экологической пирамиды Линдемана, биомасса зерна, потребленного самкой для вскармливания мышат будет равна 75 г.

На самом деле за это время самка потребит пищи намного больше, так как ей необходима энергия и для поддержания собственного организма.

6. В цепи питания переход энергии с первого трофического уровня на другой составляет 10%, а со второго на третий – 5%. Рассчитайте прирост биомассы (кг) на третьем трофическим уровне, если на первом запас энергии равен 2х104 кДж. В 1 кг биомассы на третьем уровне содержится 50 кДж энергии.

Здесь надо обратить внимание, что в задании указаны разные значения использования энергии в трофической цепи при переходе с разных уровней. (В предыдущих задачах использовались одни и те же уж очень усредненные значения согласно правилу Линдемана равные 10%).

Сказано, что с первого трофического уровня на второй перейдет 10% энергии, то есть ее останется 2х103. На третий перейдет не 10%, а всего 5%, то есть будет 1х102 или 100 кДж. Значит такое количество энергии обеспечит на третьем уровне прирост биомассы равный 100 кДж : 50 кДж = 2 кг.

7. Определите минимальную территорию м2 экосистемы острова, которая обеспечивает суточную жизнедеятельность 5 волков. Схема трофической цепи: растения (трава) – травоядные животные (копытные) – хищники (волк). Суточный прирост одного волка равен 360 ккал, растения полностью покрывают остров и их суточная чистая первичная продукция составляет 90 ккал/м2. Процесс трансформации энергии из одного трофического уровня на другой протекает в соответствии с правилом Линдемана.

Так как суточный прирост на 1 волка составляет 360 ккал, то для 5 волков эта величина будет равна 1800 ккал. Значит согласно правилу Линдемана 5 волков израсходуют 18000 ккал травоядных животных.

На прокорм этого количества травоядных животных потребуется уже 18 х 104 ккал. Так как первичная продукция растений составляет 90 ккал/м2, то минимальная территория, необходимая для жизнедеятельности 5 волков составит 180000 : 90 =2000 м2 или 0,2 га.

8. Пользуясь правилом Линдемана, определите, сколько нужно травы (содержание сухого вещества примерно 15%), чтобы вырос один орел массой 5 кг. (Пищевая цепь: трава – заяц – орел), условно допустив, что на каждом трофическом уровне поедаются только представители предыдущего уровня.

Орел в данной цепи является консументом второго порядка. Он должен был «сожрать» согласно правилу экологической пирамиды Линдемана не менее 50 кг зайчатины.

На прокорм такой биомассы зайцев, согласно всё тому же правилу 10%, необходимо 50 кг х 10 = 500 кг растительной продукции (это в пересчете на сухую массу).

Так как сухая масса травы по условию задачи составляет 15%, то всего травы потребуется 500 кг х 100% : 15% = 3333 кг или 3,3 т.

9. Одна мышь за год съедает 1 кг растительной пищи. Лисы могут съесть до 5% популяции мышей (в среднем каждая лиса съедает по 4000 грызунов за год). Какова максимальная численность лис может выжить в сообществе с фитомассой 40000 т, где мыши используют в пищу 1% фитомассы и являются основной пищей для лис.

Из 40000 т фитомассы мышкам доступно 400 т, что обеспечит рост 400000 кг : 1 кг = 400000 шт. мышей. Так как одной лисе надо съесть за год 4000 шт. мышей, то, казалось бы, этого количества мышей хватит на прокорм 100 лис. Почему «казалось бы»? Чтобы не прекращался круговорот, нам сказано, что лисы должны потреблять не более 5% популяции мышей, значит на таком количестве мышей реально может прокормиться лишь 100 х 5% : 100% = 5 штук лисиц.

10. Трофическая цепь показана схемой: фитопланктон–> водные беспозвоночные (дафнии)–> хищник 1 порядка (омуль)–> хищник 2 порядка (нерпа). Определите минимальную площадь м2 акватории, которая обеспечивает суточную жизнедеятельность 10 особей нерпы, когда суточный прирост одной нерпы составляет 54 ккал, чистая первичная продукция фитопланктона – 270 ккал/м2 в сутки. Процесс трансформации с одного трофического уровня на второй происходит в соответствии с правилом Линдемана.

Сказано, что на ежедневный прирост 10 особей нерпы потребуется 54 х 10 = 540 ккал. Чтобы обеспечить такое количество энергии консументов второго порядка (нерпа) им необходимо потребить 5400 ккал энергии, находящейся в консументах первого порядка (омуль). Для прокорма такого количества омуля потребуется 54000 дафниевых ккал.

В свою очередь для прокорма такого количества дафний понадобится 540000 ккал фитопланктона. Так как на 1 м2 продукция фитопланктона равна 270 ккал в сутки, то прокормить 10 нерп способна акватория площадью 540000 : 270 = 2000 м2.

11. В сосновом лесу общий запас древесины составляет 5х106 кг. Одна личинка соснового усача поедает 50 г древесины. Примерно в 20% личинках этого жука развиваются наездники – эфиальты (в одной личинке – 1 наездник). Какое максимальное количество эфиальтов может сформироваться в сосновом лесу, когда усачам для питания доступна только 0,01 % древесины сосны.

Так как из указанных 5х106 кг древесины леса доступно для питания личинкам соснового усача только 0,01%, то это составит 500 кг.

Это количество древесины обеспечит рост 500000 г : 50 г = 10 тыс. личинок. Поскольку, только в 20% личинок поселяются наездники, то их численность будет равна 2 тыс. штук.

12. В некоторой экосистеме обитают 60 травоядных животных со средней массой 50 кг. В 100 г их тела содержится 150 ккал энергии. Рассчитайте массу (в г) ксенобиотиков в растениях, поедаемых животными, если известно, что в 1 кг растительной пищи содержится 3000 ккал и 25 г ксенобиотиков.

Масса всех травоядных животных этой экосистемы равна 60 х 50 = 3000 кг. Так как в 100 г их биомассы содержится 150 ккал энергии, то содержание энергии в биомассе равной 3000 кг составит 4500000 ккал или 4,5 х 106 ккал.

Исходя из правила Линдемана, чтобы прокормиться этим животным потребуется 4,5 х 107 ккал растительной продукции. Так как в 1 кг биомассы растений 3000 ккал, то 4,5 х 107 ккал будет содержаться в 15000 кг.

Так как в 1 кг растений содержится 25 г ксенобиотиков, то в 15000 кг растений будет находиться 325000 г или 325 кг ксенобиотиков.

13. В цепи питания переход энергии с первого уровня на второй составляет 15%, а со второго на третий – 10%. Рассчитайте прирост биомассы (кг) на третьем уровне, если на первом запас энергии равен 3 х 104 кДж. В 1 кг биомассы на третьем уровне содержится 45 кДж энергии.

При переходе энергии с 1-го уровня (где ее запас равен 30000 кДж) на 2-й, количество энергии будет 30000 х 15 : 100 = 4500 кДж. Тогда при переходе со 2-го уровня на 3-й запас энергии сократится еще в 10 раз (т.к. 10% останется), то есть станет равным всего 450 кДж. Этого количества энергии хватит, чтобы обеспечить прирост биомассы на третьем уровне 450 : 45 = 10 кг.

14. Установлено, что КПД фотосинтеза в лесу составляет 1%, а 100 г тела лисы содержит 220 ккал энергии. Какое максимальное количество лисиц (консументы второго порядка) со средней массой 10 кг сможет прокормиться в лесу, на поверхность которого поступает 5,5 х 109 ккал солнечной энергии? (Процесс трансформации энергии с одного трофического уровня на другой протекает в соответствии с правилом Линдемана.)

Полезной солнечной энергии для той территории леса, где живут наши лисы, окажется 5,5 х 107 (с учетом КПД). Травоядным консументам, живущим на этой территории леса, достанется 5,5 х 106 энергии, а лисам – как консументам второго порядка, достанется 5,5 х 105 ккал.

Поскольку на одну лису требуется 220 х 10 х 10 = 22000 ккал энергии, то на данной территории может прокормиться 550000 : 22000 = 25 лисиц.

15. Рассчитайте, сколько волков может «прокормиться» на протяжении года на площади 20 гектаров (производительность 1 м2 составляет 300 г), если масса 1 волка в среднем равняется 60 кг, из которых 60% это вода. Сколько зайцев при этом будет съедено, если масса зайца приблизительно 1,5 кг?

Раз нам ничего не сказано о проценте воды в зайцах, и к тому же приведена масса 1 зайца всего 1,5 кг, то очевидно это уже в пересчете на сухой вес («мокрый» взрослый заяц весит уж не меньше 3,5-4,5 кг).

Поскольку в 1 гектаре 100 м х 100 м = 10000 м2, а 1 м2 дает 300 г растительной продукции, на 20 га будет образовано 20 х 300 г х 10000 = 60000 кг. Такое количество растений обеспечит кормом 60000 : 1,5 : 10 (коэффициент десять берем из правила Линдемана) = 4000 зайцев.

Масса 1 волка в пересчете на сухой вес составляет: 60 кг х 40% : 100% = 24 кг. Значит, чтобы прокормиться одному волку надо съесть 240 кг зайчатины. 240 кг : 1,5 кг (вес одного зайца) = 160 зайцев. Так как на искомой площади может прокормиться 4000 зайцев, то их биомасса обеспечит кормом 4000 : 160 = 25 волков.

16. Какой должна быть площадь горохо-овсяного поля, что бы прокормить пару лисиц по 10 кг (содержание воды 70%), если его продуктивность составляет 500 г/м2. Сколько мышей съедят лисицы, если масса одной мыши в среднем равна 20 г (содержание воды 60%).

Раз в задаче указали содержание воды в теле лисиц и в теле мышей и оно к тому же разное, то все расчеты надо выполнять в пересчете на сухую массу.

В сырой массе двух лисиц весом 20 кг содержится в пересчете на сухой вес: 20 кг х 30% : 100% = 6 кг. А в сырой массе мышки весом 20 г (но с влажностью 60%) содержится: 20 г х 40% : 100% = 8 г чистого веса.

Лисы массой 6 кг должны съесть 60 кг массы мышей (исходя из правила экологической пирамиды) или 60000 г : 8 г = 7500 штук мышей.

Чтобы прокормиться мышкам массой 60 кг, надо съесть 600 кг растительной продукции. Такое количество растительной продукции вырастет на площади 600 000 г : 500 г = 1200 м2 или 0,12 га.

17. На определённой территории живут зайцы, биомасса каждого из них отличается на 0,2 кг. Биомасса самого маленького зайца – 1.6 кг, а самого большого – 5 кг. Масса одной лисы в 20 раз меньше массы всех зайцев. Найдите среднюю массу одной лисы. Вычислите, сколько лис могут существовать на данной территории, если они питаются только зайцами.

Средний вес одного зайца (5,0 + 1,6) : 2 = 3,3 кг. Всего зайцев будет 3,3 кг : 0,2 кг+1=18.

Тогда все зайцы весят 3,3 х 18 = 59,4 кг. Средний вес одной лисицы 59,4 : 20 – почти 3 кг. Значит 59,4 кг зайчатины могут прокормить 5,94 кг биомассы лисиц, то есть всего 2 лисицы.

18. Человек массой 70 кг в течение суток питается крольчатиной и потребляет с ней 80 ккал энергии на 1 кг массы тела. Пищей для кролика служит только морковь, содержание сухого вещества в которой составляет 20%. Сухое вещество на 70% состоит из углеводов. При окислении 1 г углеводов в организме кролика вырабатывается 4 ккал энергии. Рассчитайте, пользуясь правилом Линдемана, сколько кг сырой моркови нужно скормить кролику, чтобы получить нужное количество крольчатины для питания человека в течение суток.

Имеем: суточная потребность 70 кг человека равна 80 ккал х 70 = 5600 ккал крольчатины.

Так как 1 г углеводов в организме кролика обеспечит выработку 4 ккал энергии, то для выработки 5600 ккал кролик должен потребить 5600 : 4 = 1400 г = 1,4 кг углеводов. Это составляет 70% от сухого вещества моркови, значит в пересчете на сухой вес потребуется 1,4 кг х 100% : 70% = 2 кг моркови, а в пересчете на сырой вес 2 кг х 100% : 20% = 10 кг моркови.

В этом задании нам не пришлось использовать пресловутый приблизительный коэффициент равный 10% согласно правилу Линдемана при расчете перехода энергии с одного трофического уровня на другой, так как все расчеты базируются на реальных цифрах образования и расходования ккал на каждом трофическом уровне.

19. Сколько шоколада с содержанием масла какао 35% необходимо съесть, чтобы компенсировать энергию, затраченную на бег трусцой 2100 кДж в час в течении получаса только за счет жиров, содержащихся в шоколаде? КПД усвоения энергии 60%.

За полчаса бега трусцой организм потратит 1050 кДж энергии. Так как при окислении 1 г жира образуется 38,9 кДж энергии, то, чтобы компенсировать 1050 кДж энергии надо потребить: 1050 кДж: 38,9 кДж = 27 г жира.Но столько бы жира было достаточно, если бы КПД был 100%. Но, так как КПД = 60% (40% рассеивается в виде тепла), то жира потребуется 27 г х 100% : 60% = 45 г.

Так как в шоколаде жира всего 35%, значит шоколада надо съесть 45 г х 100% : 35% = 128,6 г.

20. Продуценты биоценоза охотничьего угодья накапливают 3,5 х 107 кДж энергии. На какое количество волков можно выдать лицензию охотнику, когда биомасса популяции волков в охотничьем угодье составляет 1/5 биомассы всех консументов второго порядка и половина популяции должна сохраниться. В одном килограмме консументов второго порядка запасается 50 кДж энергии. Масса одного волка равна 70 кг. Переход энергии из одного трофического уровня на другой происходит в соответствии с правилом Линдемана.

Так как энергия продуцентов составляет 3,5 х 107, то консументам 1 порядка (травоядные) перейдет 3,5 х 106, а в консументы 2 порядка, соответственно, 3,5 х 105.

Известно, что в 1 кг биомассы консументов 2 порядка запасается 50 кДж энергии, значит биомасса консументов 2 порядка составит 3,5 х 100000 : 50 = 7000 кг. Биомасса волков составит 7000 : 5 = 1400 кг. Так как масса одного волка 70 кг, то вся популяция волков будет состоять из 20 особей.

Охотнику можно получить лицензию на отстрел половины популяции или на 10 волков.

21. Белый амур питается растительной пищей. За период роста он использует с едой 100000 кДж энергии. Доля усвоенной еды составила 50%, на прирост израсходовалось 20% усвоенной энергии, остальное – на дыхание. Рассчитайте количество энергии (кДж), израсходованных на дыхание.

Полезной энергии (усвоенная еда) в амуре будет 100000 : 2 = 50000 кДж. Поскольку сказано, что из этой энергии на прирост пошло 20%, значит 80% ушло на дыхание или 5000 х 80 : 100 = 40000 кДж.

22. Определите массу вторичной продукции (консументы I порядка) небольшой лесной экосистемы площадью 10 м2, если известно, что в эту экосистему в мае-сентябре на 1 см2 поступает в среднем 20 ккал солнечной энергии за месяц. На фотосинтез используется не более 1% поступившей энергии, а на создание 1 г органического вещества растения расходуется примерно 500 ккал. Консументы без ущерба для растений могут употреблять не более 10% чистой первичной продукции.

Поскольку на 1 см2 за месяц поступает 20 ккал солнечной энергии, значит за 5 месяцев (с мая по сентябрь) – 100 ккал. Вся экосистема площадью 10 км2 получит 1013 ккал.

Так как КПД фотосинтеза равен 1%, то полезной для растений энергии будет 1011 ккал. Это количество используемой растениями энергии обеспечит образование в них 1011 : 500 = 20000 кг органических веществ. Все это количество растительной продукции могло бы обеспечить всего 2000 кг вторичной продукции консументов 1 порядка.

Так как сказано, что «без ущерба для растений» консументы могут употреблять не более 10% первичной продукции, значит их биомасса должна быть всего 200 кг.

23. Экосистема луга площадью 5 га получила за месяц количество энергии, эквивалентной 120 т органического вещества. На процессы жизнедеятельности растения затратили 85% фиксированной энергии. Вычислите продукцию консументов третьего порядка, если известно, что КПД луговых растений данной экосистемы составляет около 2,5%.

Из 120 т 85% пошло на образование растениями химической энергии, то есть 102 т. Так как КПД фотосинтеза составляет 2,5%, то реально биомасса растений будет равна 102 т х 2,5 : 100 = 2,55 т или 2550 кг. Значит, продукция консументов 3 порядка в этой экосистеме луга площадью 5 га составит 2550 х 10-3 или 2,55 кг.

24. Чистая первичная продукция всех продуцентов в экосистеме составляет 5000 кг. Один килограмм фитомассы содержит 800 ккал. Рассчитайте максимальное количество хищников первого порядка, которые могут прокормиться в данной экосистеме, если их средняя масса 4 кг, а в 100 г их тела содержится 500 ккал энергии. Переход энергии из одного трофического уровня на другой происходит в соответствии с правилом