Praktikum_2010

ТЕМА 2. ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ (ДЕМОЭКОЛОГИЯ)

Цель: углубление знаний о свойствах, количественных характеристиках популяции и методах их оценки.

Задачи: изучить содержание понятий «популяция», «свойства популяции», углубить знания о количественных характеристиках популяции, о методах их оценки.

Оборудование: наглядные пособия (таблицы, слайды, схемы и др.), ли- нейки, карандаши, калькулятор, рабочая тетрадь.

Основные теоретические положения темы

Популяция - первая надорганизменная биологическая система. Первое определение популяции принадлежит Иогансену (1903г). Популяцией он назвал «естественную смесь особей одного и того же вида, неоднородную в генетиче- ском отношении». По С.С. Шварцу (1980г) популяция - это элементарная груп- пировка организмов определённого вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо долгое время в по- стоянно изменяющихся условиях среды. Ещё большее экологическое значение популяции дано в определении Ю. Одума (1986г). Он охарактеризовал популя- цию как любую группу организмов одного вида (или группу, внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающую опреде- лённое пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. В этом определении, помимо основного признака (группа особей), подчёркива- ется обязательное условие - обмен генетической информацией и принадлеж- ность, встроенность в более высокую биологическую систему.

Свойства популяции. Популяция, как и любая биологическая система, обладает общебиологическими свойствами - растёт, функционирует, саморегу- лируется. Помимо этого популяция обладает и групповыми свойствами. Пере- числим основные из них:

Численность - число особей в популяции. Показатель динамичный, зави- сящий от многих факторов.

Плотность - число особей или их общая биомасса, отнесённая к единице площади или объёма. Различают среднюю плотность, т.е. численность или биомассу популяции, отнесённую ко всему пространству или объему, который может занимать популяция, и экологическую - отношение численности к оби- таемому пространству, т.е. той площади или объёму, который занимают особи в данной экологической ситуации.

Рождаемость - способность популяции к увеличению численности. Раз- личают:

§максимальную рождаемость - теоретически возможный максимум об- разования новых особей в идеальных условиях;

11

§экологическую (реализованную) - увеличение фактической численности в данных конкретных условиях;

§абсолютную (общую) рождаемость – число новых особей, появивших-

ся в единицу времени;

§удельную рождаемость – число новых особей в расчете на одну особь

(самку).

Смертность - отражение гибели особей в популяциях. Различают:

§минимальную смертность - теоретическую величину гибели особей в идеальных условиях;

§экологическую (реализованную) смертность — гибель особей в данных условиях.

Возрастной состав (возрастная структура) - соотношение разных воз-

растных групп, которое определяет способность популяции к размножению в данный момент. Различают три возрастные категории: предпродуктивную, про- дуктивную и постпродуктивную. У каждой популяции есть своё нормальное, стабильное соотношение возрастных групп.

Биотический (репродуктивный) потенциал — скорость роста численно-

сти популяции в благоприятных условиях. Такими условиями могут быть не только факторы среды, но и идеальное соотношение полов и возрастов в попу- ляции. Разница между биотическим потенциалом популяции и скоростью роста в реальных условиях определяется как мера сопротивления среды, которая ха- рактеризует сумму всех лимитирующих факторов.

Типы роста популяции. Выделяют два основных типа:

§j-образный - характеризуется быстрым нарастанием численности и быстрым прекращением при сопротивлении среды или действии лимитирующего фак- тора;

§s-образный – характеризуется медленным нарастанием численности, дости- гая определённого равновесия, которое и сохраняется.

Флуктуация численности - свойство популяции, достигшей равновесия

проявлять тенденцию к флуктуациям, колебаниям численности относительно среднего уровня. Причинами таких колебаний являются годичные, сезонные и

случайные изменения давления среды

Распределение организмов в пространстве - равномерное, групповое,

случайное.

Стратегия популяции - характеризует выработанные в процессе эволю- ции приспособления к освоению и удержанию среды обитания, сохранению её численности. Различают:

§R-стратегия (R-отбор) - направлена на повышение скорости роста попу- ляции и, следовательно, таких качеств, как высокая плодовитость, ранняя поло- возрелость, короткий жизненный цикл, способность быстро распространяться на новые местообитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся ста- дии;

§К-стратегия (К-отбор) - направлена на повышение выживаемости в усло- виях уже стабилизировавшейся численности (это отбор на конкурентоспособ- ность, повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение веро-

12

ятности выживаемости каждого потомка, на развитие более совершенных внут- ривидовых механизмов численности).

Каждый организм испытывает R- и К-отбор одновременно, но R-отбор преобладает на ранней стадии развития популяции, а К-отбор характерен для стабилизированных систем.

Самостоятельная работа

Задание 1. Составьте подробную характеристику популяции конкретного организма (по выбору студента и указанию преподавателя), используя инфор- мацию об её свойствах, структуре и стратегии выживания.

Задание 2. Решите задачи.

1.При естественном приросте численности населения 2%, а смертности – 26000 на 1 млн. человек, рождаемость составляет ______%

2.При рождаемости населения 40 на 1000 человек, а смертности – 30 на 1000 человек естественный прирост численности составляет _____%.

3.В начале сезона было помечено 1000 рыб. В ходе следующего лова из 5000 рыб обнаружилось 350 меченых. Какова была численность популяции пе- ред началом промысла?

4.В лесу ученые равномерно поставили ловушки на зайцев беляков. Всего было поймано 50 зверьков. Их пометили и отпустили. Через неделю отлов по- вторили. Поймали 70 зайцев, из которых 20 были уже с метками. Определите, какова численность зайцев на исследуемой территории, принимая во внимание, что меченные в первый раз зверьки равномерно распределились в лесу.

5.Площадь Юхновского охотничьего хозяйства составляет 39000га. Леса на этой площади относят к лесам среднего качества. Лесистость хозяйства 73%. Численность лося ориентировочно определяется в 421 особь. Рассчитайте плот- ность популяции лося. Дайте оценку плотности популяции лося. Дайте оценку плотности популяции лося (низкая, высока, очень высокая), если для лесов среднего качества плотность лося должна составлять 3-5 особей на каждые

1000га.

6.В охотничьем хозяйстве численность стада лосей определяется в 500 особей. Определите, на сколько голов будет увеличиваться стадо при ежегод- ном приросте 15%. Укажите, что произойдет с плотностью популяции, если территория хозяйства составляет 40000 га (плотность рассчитывается по коли- честву лосей на 1000 га).

7.Начертите возрастную пирамиду популяции большой синицы, если вес- ной, до вылупления птенцов, 60% популяции составляют птицы прошлого года рождения, участвующие в размножении первый раз, на двухлетних приходится 20%, трехлетних – 8%, четырехлетних – 5%, пятилетних – 4%, для особей в возрасте от 6 до 10 лет – 3%. Как изменится возрастная пирамида популяции большой синицы после вылета птенцов из гнезда, если численность до гнездо- вания составила 10000 особей, а кладка в среднем состоит из 8 яиц при соотно- шении полов 1:1. условно считайте, что все особи на этом этапе выжили.

13

8.Постройте график изменения заготовок шкурок зайца-беляка на севере европейской части России последовательно за 27 лет (объем заготовок приво-

дится в баллах). Баллы: 2, 1, 2, 3, 3, 4, 5, 15, 30, 80, 100, 60, 55, 0, 1, 1, 1, 2, 8, 90, 100, 100, 130, 10, 2, 1, 2. сколько лет длиться один цикл в динамике численно- сти зайца-беляка? Какой прогноз для заготовок шкурок будет наиболее точным: на 1, на 5 или на 10 лет вперед?

9.Постройте весеннюю возрастную пирамиду популяции грачей, если ис- ходная численность составила 10000 особей, из них 60% родилось в прошлом году, 20% - в позапрошлом, 15% - трехлетние птицы, 3% - четырехлетние, 2% - старше четырех лет. Постройте летнюю возрастную пирамиду, учитывая, что численность возросла в 4 раза (40000 особей) за счет родившихся сеголеток. Условно считайте, что смертность взрослых грачей в этот период отсутствует.

10.Среди лесных птиц и млекопитающих наиболее резким колебаниям подвержена численность семеноядных животных – клестов, кедровок. Белок, мышей. Объясните, с чем это связано.

11.Начальная численность популяции инфузории-туфельки составляет 10 особей. Каждая особь в среднем за 4 часа образует 3 дочерние клетки. При ус- ловии, что популяция растет по экспоненциальному закону и смертность равна нулю, прирост численности инфузории спустя сутки составит ___________

особей.

12.Начальная численность популяции сине-зеленой водоросли анабены составляет 50 особей. Каждая особь в среднем за 2 часа образует 2 дочерние клетки. При условии, что популяция растет по экспоненциальному закону и смертность равна нулю, прирост численности инфузории спустя сутки составит

_________ особей.

Вопросы для обсуждения:

1.Статические и динамические показатели популяций.

2.Какие факторы определяют продолжительность жизни в популяции?

3.Динамика роста численности популяций.

4.Какие экологические стратегии выживания характерны для популяций?

5.Каковы механизмы регуляция плотности популяции?

Вопросы самоконтроля:

1.Какое определение популяции подчёркивает или предполагает ее спо- собность к дифференциации и саморегуляции?

2.Назовите групповые свойства популяции.

3.Существует ли прямая связь между численностью и плотностью попу-

ляции.

4.Какие свойства популяции влияют на её численность?

14

ТЕМА 3. ЭКОЛОГИЯ СООБЩЕСТВ (СИНЭКОЛОГИЯ)

3.1.ЭКОСИСТЕМА. ПОТОК ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

ВЭКОСИСТЕМАХ

Цель: изучение свойств, структуры и принципа функционирования экоси- стем.

Задачи: углубить знания об особенностях организации и функционирова- ния экосистем. В процессе решения задач освоить основные теоретические по- ложения концепции переноса и трансформации энергии в экологических сис- темах;

Оборудование: наглядные пособия (таблицы, слайды, схемы и др.), ли- нейки, карандаши, рабочая тетрадь.

Основные теоретические положения темы

Живые организмы, населяющие Землю, не могут существовать изолиро- ванно друг от друга. Они образуют организованные биологические системы - сообщества, биоценозы которые, исходя из принципа эмерджентности, облада- ют некоторыми особыми функциями, не присущими слагающим их компонен- там.

Сообщество (биоценоз) - совокупность популяций различных организмов, совместно обитающих на определённой территории. Биотическое сообщество - живая часть экологической системы, её биота. Полные сообщества должны включать в себя популяции растений, популяции животных, популяции микро- организмов и популяции грибов. Эти популяции вступают в сложные взаимо- отношения с организмами и окружающей средой, определяя существование системы.

Экосистема - это любая биологическая система, включающая все совме- стно функционирующие организмы, на данном участке взаимодействующие с физической средой таким образом, что поток энергии создаёт чётко определён- ные биотические структуры и круговорот веществ.

Экосистема – открытая система, так как для ее существования необходим постоянный приток энергии извне. Источником энергии является энергия Солнца. Она переводится фотосинтезирующими организмами в химические связи органических соединений.

Существование экосистемы зависит от постоянного притока энергии, не- обходимой для жизнедеятельности организмов, обеспечения самоорганизации и самовосстановления. В отличие от биогенных веществ, которые могут быть использованы экосистемой многократно, энергия используется однократно в соответствии с законами термодинамики.

Пищевая цепь. Живые организмы, являясь преобразователями (транс- форматорами) энергии, организуют пищевые связи как механизмы передачи

15

энергии от одного организма к другому. Пищевые связи внутри экосистемы формируют трофическую структуру, проявляющуюся в виде трофических, пи- щевых цепей и сетей. Перенос энергии от её источника автотрофа через ряд ор- ганизмов путём поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. При каждом переносе энергии до 90% её теряется, превращаясь в тепло. Пищевые цепи подразделяют на два типа:

§цепи выедания (пастбищные) - начинаются с зелёного растения, по- едаемого травоядными животными, которые в свою очередь становятся жертвами хищников;

§детритные цепи (разложения) - начинаются с мёртвого органического вещества растительного или животного происхождения, поедаемого детритофагами, являющимися пищей для хищников детритофагов.

Трофический уровень - это место каждого звена в пищевой цепи: 1 - про- дуценты, 2 - растительноядные консументы, 3 - плотоядные консументы, пи- тающиеся растительноядными формами, 4 - консументы, потребляющие других плотоядных, и т.д. Следовательно, можно и консументов разделить по уровням: консументы первого, второго, третьего и т.д. порядков.

Пищевые цепи не изолированы одна от другой, так как один и тот же орга- низм может быть источником энергии, поедаться несколькими организмами, располагающимися в разных пищевых цепях. В связи с этим возникают боко- вые ответвления в пищевых цепях, связывающие их в пищевые сети.

В пределах любой биологической системы, в том числе и экосистемы, происходит процесс переноса и трансформации энергии. В соответствии с за- коном энтропии любая энергия стремится к переходу в менее концентрирован- ную форму, причём концентрация энергии может достигать такого уровня, ко- гда уже не может быть использована - в качестве энергии (пищи) для иных ор- ганизмов.

Поток энергии - это ее переход от организмов одного уровня к другому в форме химических связей органических соединений. Поток энергии однона-

правлен Поток вещества – перемещение веществ в форме химических элементов и

их соединений от продуцентов через консументы к редуцентам, и далее через химические реакции без участия живых организмов вновь к продуцентам. По- ток вещества происходит по замкнутому кругу, поэтому его называют кругово- ротом.

Самостоятельная работа

Все задания необходимо выполнять письменно. Ответы на вопросы, схемы

и модели должны сопровождаться объяснениями и комментариями Задание 1. Составьте список частей экосистемы, упоминаемых в опреде-

лениях. Какие обязательные, по Вашему мнению, части экосистемы не указа- ны? Дополните список.

Задание 2. Используя модель экосистемы пруда или леса, составьте схему расположения основных частей. Выпишите из определений слова и выражения, относящиеся к описанию структуры экосистемы. На схеме расположения ос-

16

новных частей обозначьте стрелками структуру экосистемы. Назовите виды от- ношений (структуру), обозначенные стрелками на модели экосистем пруда или леса.

Задание 3. Составьте модель трофической структуры экосистемы пруда или леса.

Задание 4. Постройте схемы 5 пищевых цепей (пастбищных и детритных), включив в них следующие организмы: трава, кролик, почвенные грибы, ягод- ный кустарник, жук-навозник, паук, воробей, ястреб, волк, лисица, сова- неясыть, уж обыкновенный, травяная лягушка, заяц, полевка, тля, божья коров- ка, дуб, короед, дятел, навоз, дождевой червь, листовой опад, гетеротрофные бактерии (организм из перечня может только однажды включен в цепь. Все ор- ганизмы включать в цепь не нужно)

Задание 5. Постройте пирамиду чисел пищевой цепи:

растения – кузнечики – лягушки – ужи – ястреб-змееяд

Предположите, что животные каждого трофического уровня питаются только организмами предыдущего уровня. Биомасса растений на исследуемой территории составляет 40 тонн. Биомасса 1-го побега травянистого растения –

5г (0,005 кг), 1-го кузнечика – 1 г (0,001 кг), 1 лягушки – 10г (0,01 кг), 1-го ужа

– 100 г (0,1 кг), 1-го змееяда – 2 кг.

Задание 6. Решите задачи:

6.1.Зная закон передачи вещества и энергии по трофическим уровням, рас- считайте, сколько понадобиться фитопланктона, чтобы вырос один бурый мед- ведь весом 350 кг (пищевая цепь: фитопланктон – зоопланктон – мелкие рыбы – лосось – медведь). Условно принимайте, что на каждом трофическом уровне всегда поедаются только представители предыдущего уровня.

6.2.Если в лесу на площади 1 га взвесить отдельно всех насекомых, все растения, всех хищных позвоночных (земноводных, рептилий, птиц, млекопи- тающих вместе взятых), то представители какой группы суммарно будут самы- ми тяжелыми? Самыми легкими: объясните почему?

6.3.Рассмотрите две пирамиды биомассы (рис. 1). На них отображена био- масса планктона в одном из озер Италии весной и зимой. Объясните, почему в течение года пирамида переворачивается?

	K								К
K										K
											П
П

Зима Весна

Рис. 1 Сезонные изменения в пирамидах биомассы в одном из озер Италии

6.4.В степном заповеднике на участке, полностью огражденном от траво- ядных млекопитающих, урожай трав составил 5,2 ц/га, а на выпасаемом участке

–5,9 ц/га. Почему устранение консументов понизило продукцию растений?

6.5.На Крайнем Севере, где выпало наибольшее количество радиоактив- ных осадков, лишайники поглощают почти 100% радиоактивных частиц, попа-

17

дающих на землю. Постройте пищевую цепь приводящую радиоактивные час- тицы (например стронций-90) в организм человека.

6.6.Почему почти все животные выращиваемые человеком для использо- вания в пищу – травоядные?

6.7.Объясните, каким образом редуценты сохраняют нам жизнь.

6.8.Назовите лимитирующий фактор для каждой из следующих экосистем: пустыни, поверхностного слоя открытого моря, арктической тундры, наземного яруса влажного тропического леса, дна глубокого озера.

Вопросы для обсуждения:

1.Компоненты (структура) экосистемы

2.Как происходит энергообмен в экосистемах?

3.В чем различие между потоком вещества и энергии?

4.Почему экосистемы называются открытыми системами?

5.От чего зависит видовой состав и насыщенность биоценоза?

6.Дайте определение вида, являющегося эдификатором. Приведите приме- ры.

7.Как влияют абиотические факторы среды на формирование видовой структуры биоценозов?

8.Объясните, в чем заключается особая важность биоразнообразия для эко- систем нашей планеты?

9.Значение и функции продуцентов, консументов, редуцентов.

Вопросы самоконтроля:

1.Что такое сообщество, биоценоз?

2.Популяции каких организмов должны входить в состав сообщества?

3.Чем определяется экологическое значение сообщества?

4.Одинакова ли роль организмов, входящих в состав сообщества?

5.Какие свойства сообщества определяют его видовую структуру?

6.Перечислите основные части экосистемы.

7.Назовите основные функции экосистемы.

8.Назовите процессы, определяющие структуру экосистемы.

9.Назовите обязательные биологические элементы экосистемы.

3.2. ДИНАМИЧЕСКИЕ КАЧЕСТВА ЭКОСИСТЕМ

Цель: изучение свойств, структуры и принципа функционирования экоси- стем.

Задачи: изучить динамические качества экосистем и причины, влияющие на их проявление; выявить принципиальное различие между гомеостазом и на- дёжностью экосистем.

Оборудование: наглядные пособия (таблицы, слайды, схемы и др.), ли- нейки, карандаши, рабочая тетрадь.

18

Основные теоретические положения темы

Динамические качества - совокупность взаимосвязанных свойств, опре- деляющая способность экосистемы адекватно изменять состояние, структуру и функции под воздействием внутренних и внешних факторов. Взаимосвязь и выраженность (полное проявление) динамических качеств природных экоси- стем определяет их стабильность, эволюционный характер развития, возможно- сти адекватных ответных реакций, направленность и предсказуемость сукцес- сионного процесса.

Характеристика динамических качеств:

Гомеостаз - способность экологической системы к саморегуляции и само- восстановлению. Это свойство проявляется как внутреннее динамическое рав- новесие, поддерживаемое регулярным возобновлением структуры и веществен- но-энергетического состава. Чаще всего гомеостаз проявляется как контроль за абиотическими факторами среды. В сукцессионном процессе контроль над сре- дой возрастает медленно, поэтому молодые, развивающиеся экологические системы, не достигшие климакса, обладают не полным гомеостазом.

Доступность - способность экологической системы принять новые для нее виды. Популяции сообществ стремятся занять пространственные, времен- ные и функциональные ниши. Внедрение организмов возможно только в случае освобождения одной из них или в случае формирования сообщества в сукцес- сионном процессе.

Живучесть (резистентная устойчивость) - способность системы сопротив- ляться резким внешним воздействиям, сохраняя и поддерживая свою внутрен- нюю структуру и функции. Экологические системы различаются по способно- сти сопротивляться таким воздействиям, как пожары, затопления, ливни, штормы, бураны и иные природные аномалии.

Устойчивость упругая - скорость восстановления структурных и функ-

циональных свойств экологической системы после вывода её из стабильного состояния сильными внешними воздействиями. Это свойство, как и предыду- щее, тоже по-разному проявляется у природных экосистем.

Замкнутость - проявление степени реутилизации веществ внутри систе- мы. У замкнутых систем практически отсутствует выход (в том числе вынос, миграция) веществ за их границы.

Надежность - способность экологической системы неопределенно долго сохранять структуру и функции при относительно стабильных внешних воздей- ствиях. Чем полнее механизмы саморегуляции и самовосстановления, тем сис- тема надёжнее. Таким образом, надёжность - это способность системы сохра- нять гомеостаз во времени.

Самостоятельная работа

Задание 1. Оцените проявление динамических качеств экосистем по 5- бальной шкале. Результаты оценки оформите в виде таблицы 4

19

Таблица 4 - Проявления динамических качеств экосистем

Название экосистемы	Проявление динамических качеств, баллы
	Гомео-	Доступ-	Живу-	Устой-	Замкну	Надеж-
	стаз	ность	честь	чивость	тость	ность
				упругая
Широколиственный спелый лес
Молодая дубрава
Полезащитная лесная полоса
Сосновый бор
Песчаный берег реки или моря

Вопросы для обсуждения:

1.Найдите принципиальное различие между понятиями «гомеостаз» и «надёжность» экосистемы.

2.Определите взаимосвязь между доступностью и замкнутостью экологи- ческой системы.

3.Объясните зависимость стабильности экосистемы от резистентной и уп- ругой устойчивости.

Вопросы самоконтроля:

1.Что такое динамические качества экосистем?

2.Дать характеристику динамических качеств экосистем.

3.3. ВЗАИМОСВЯЗЬ АБИОТИЧЕСКИХ И БИОТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ В БИОМАХ

Цель: выявление взаимосвязи абиотических и биотических факторов сре- ды в природных сообществах.

Задачи: изучить содержание понятий «климат», «климатообразующие факторы», «погода», «жизненные формы», «биом» и положение границ при- родных биомов в разных районах страны; составить характеристику биомов на основе количественных и качественных показателей; перечислить адаптации, конкурентные преимущества и недостатки основных жизненных форм расте- ний.

Оборудование: наглядные пособия (таблицы, слайды, схемы и др.), тема- тические карты России, климатическая, почвенная, карта растительности, ли- нейки, карандаши, рабочая тетрадь.

Основные теоретические положения темы

Климат - состояние атмосферы, типичное для данного места и выражаю- щееся в определенном режиме погоды.

Слово «климат» греческое и в переводе на русский язык означает наклоне- ние (klima - наклон). Древние греки делили поверхность Земли в зависимости

20