разработка урока по биологии для 11 класса по теме динамика популяций
план-конспект урока по биологии (11 класс) на тему

Урок  в профильном физико-математематическом 11 классе  (интегрированный биология + информатика)

Тема: Динамика популяций.

Цель. Сформировать у учащихся знания о динамике популяций как о необходимом атрибуте жизни организма, способе их адаптации к постоянно меняющимся условиям существования.

Задачи.

1) сформировать знания о характере колебаний численности популяций некоторых видов организмов и об их сложной структуре; ознакомить учащихся с явлением регуляции численности и значением этого явления.

2) Способствовать закреплению понятий и навыков математического моделирования, формированию навыков работы с программой «Электронные таблицы; Excel».

3)  Продолжать формировать умения анализировать, обобщать, делать выводы, публично защищать результаты творческой деятельности.

4) Довести до учащихся важность сохранения  многообразия органического мира Земли, воспитывать бережное отношение к любому виду жизни.

Оборудование и материалы. Презентация, инструкции  к практической работе, ПК на каждом столе.

Ход урока.

1. Актуализация знаний.

Фронтальный опрос по вопросам:

1. Что является структурной единицей вида и эволюции? Популяция.
2. Дайте определение понятия популяции, вида.
3. Приведите примеры популяций в разных сообществах.
4. Перечислите основные популяционные характеристики.
5. Какое значение имеют популяционные характеристики?

 (это необходимо для рационального использования видов: для правильного планирования рубки леса, упорядочение промысла, охраны редких видов, изучение популяций, например, мелких грызунов, как переносчиков опасных для человека возбудителей заболеваний, регулирование численности вредителей сельского хозяйства).

Решение экологических задач.

1. Задача.

Рассчитайте смертность во время спячки в двух популяциях малого суслика. В первой из них плотность популяции перед впадением в спячку составляла 160 зверьков на 1 га, выжило 80, во второй - соответственно 90 и 56. На каком участке смертность оказалась выше и чем можно это объяснить, если принять во внимание, что запас кормов, приходящихся на гектар, на обоих участках был одинаков

(смертность выше в первой популяции. Из-за сильно сократившихся размеров индивидуальных участков зверьки нагуляли меньше жира и хуже перенесли зимнюю спячку).

2. Плодовитость рыб обычно очень высока. Следует ли беспокоиться о том, что вылавливается крупная часть популяции, ведь даже оставшиеся немногие половозрелые особи дают много икры.

3.  В теории и практике лесоразведения два подхода. Первый из них – создание одновозрастных культур рядами, по типу пшеничного поля. Он требует меньше первоначальных затрат. Второй, более трудоёмкий – создание разновозрастных культур со сложной пространственной мозаикой. Какой из методов выбрали бы вы и почему?

4. Стоит вопрос об охране редкого вида млекопитающих на одной из двух территорий. На одной из них живут взрослые плодовитые особи, но нет молодых. На другой – существуют молодые, но погибли взрослые. Какой из двух участков вы решили бы выбрать для заповедника.

2. Изучение нового материала.

В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграций наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал биологии и информатики по теме: «Динамика популяций», с использованием компьютерных технологий.

Крайне важно для использования на практике знание причин и скорости популяционных изменений, а также умение вести измерения этих природных показателей.

Процессы изменений биологических показателей популяции называются динамикой популяций.

Итак, тема сегодняшнего интегрированного урока: «Динамика популяций».

 План урока (на доске или слайде)

1. Динамика популяций, как биологическое явление.

2. Рост популяции. Типы роста.

3. Колебания численности популяций: причины, способы регуляции численности. Значение регуляции.

4. Компьютерный эксперимент в электронных таблицах «Excel».

1. Динамика популяций как биологическое явление (рассказ учителя).

- Динамика популяций – это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени – численности, биомассы, популяционной структуры (возрастного состава). Динамика популяций – одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений. Можно сказать, что жизнь популяции проявляется в ее динамике. Популяция не может существовать без постоянных изменений, за счет которых она как бы приспосабливается к изменяющимся условиям среды. В ходе эволюции популяции живых организмов обретают различные свойства. Некоторые из них приспособлены к существованию в суровых, но стабильных условиях, например, в пустынях, полупустынях, тундрах. Примером могут служить популяции таких растений, как саксаул, тамариск, обитающие в пустынных зонах, или некоторые виды мхов, населяющих зоны тундры.

Популяции таких организмов не приспособлены к резким изменениям условий жизни, они крайне чувствительны к возрастающему воздействию человека, легкоуязвимые и трудно поддаются восстановлению.

Популяции других организмов, обитающих в зонах умеренного климата, в особенности популяции однолетних животных (большинство насекомых) и растений (некоторые виды трав), способны выдерживать значительные нарушения условий жизни. Колебания их численности обладает очень большой амплитудой. В различные годы их численность может различаться в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз.  

2. Рост популяции, как характеристика ее способности к восстановлению численности, характерные типы роста. 

- Такие показатели, как рождаемость, смертность, возрастная структура, весьма важны, но ни по одному из них нельзя судить о росте популяции в целом. Между тем представление о росте популяций необходимы для понимания их способностей к восстановлению численности, а также для уяснения некоторых свойств динамики.

Характер увеличения численности популяции может быть различным. В связи с этим выделяют 2 типа роста популяций. Их различия можно проиллюстрировать с помощью кривых, передающих характер нарастания численности популяции во времени (слайд) На слайде изображены две кривые, одна из которых имеет J – образное, а другая S- образное начертание.

• В первом случае плотность популяции увеличивается с возрастающей скоростью до тех пор, пока не начнут действовать факты, ограничивающие рост.

- Ребята, какие факторы могут ограничить рост численности? (ограниченность ресурсов, абиотические факторы, антропогенное воздействие, увеличения численности паразитов, хищников).

• При втором типе роста популяция вначале увеличивается медленно, затем быстрее, но вскоре под влиянием сопротивления среды рост постепенно замедляется. В конце концов достигается равновесие, которое и сохраняется.

Закон роста популяции первого типа можно сформулировать в виде простого математического соотношения, согласно которому скорость прироста численности популяции ∆ N за промежуток времени ∆ Т, то есть: ∆ N/∆ Т, пропорциональна ее общей численности популяции (N); ∆ N/ ∆ Т = r ·N, где константа r характеризует скорость процесса нарастания численности. J-образная кривая называется кривой экспоненциального роста.

При S- образной кривой роста, называемым логистическим, скорость прироста численности популяции пропорциональна разности между достигнутой величиной популяции (ее плотностью в данный момент времени N) и максимально возможной плотностью в данной среде обитания (К), т.е.: ∆ N/ ∆ Т = r / (К-N).

Характерные типы роста популяций можно наблюдать, когда тех или иных животных вселяют в незанятые области или они сами переселяются в новые районы. Самовселение некоторых представителей фауны рыб (например, тюльки) можно наблюдать в водохранилищах Волги, Камы, Днепра, где их численность достигла значительных величин. Рост плотности этих популяций описывается S- образной кривой.

Экспоненциальная J-образная кривая хорошо показывает рост популяций некоторых микроорганизмов, например, грибковых дрожжей, некоторых микроскопических водорослей. В целом, чем крупнее организмы, тем ближе к логическому типу рост плотности их популяций.

3. Закрепление знаний о типах роста. 

- Определите тип роста численности. 

Английский эколог Чарльз Элтон впервые обобщил наблюдения и описал взрывы численности завезенных видов, которые он назвал «экологическими нашествиями».

Примером такого нашествия является распространение в Северной Америке и Европе колорадского жука. Этот вид родом из Мексики. Впервые его массовое размножение было описано в американском штате Колорадо, откуда он и получил свое название. В Европе первые особи были замечены в 1922 году на побережье Франции. С этого времени началось неуклонное продвижение его на восток вплоть до европейской части нашей страны.

Рост популяции колорадского жука происходит по J-образному типу.

Приведите примеры подобного роста популяций.

(Примеры: рост популяций саранчи, леммингов, кроликов в Австралии).

- Что является причиной безудержного роста этих популяций?

- Если бы человек не выращивал картофель, баклажаны, помидоры и другие пасленовые растения, возможен был бы такой рост?

- Какой тип роста более часто встречается в природе? Почему?

4. Колебания численности популяций. Регуляция численности, ее биологическое значение 

- Кривые роста численности популяций крайне идеализированы. На самом деле численность популяций не застывает на одном уровне, а постоянно колеблется вокруг некоторого среднего уровня в соответствии с изменяющимися условиями. Размах этих колебаний может быть различным, он будет определять тип динамики популяций.  Что является причиной изменения численности, какие факторы могут быть регуляторами численности?

• Внешние причины: абиотические (температура, осадки, освещенность) и биотические (хищники, виды-конкуренты, болезнетворные организмы);
• Внутренние: плотность популяции, возрастной состав и биологические особенности вида.

Наука экология связана с математикой и информатикой. Демографические показатели имеют математическое выражение. В биологии при исследовании развития биосистем строятся информационные модели изменения численности различных живых существ с учётом различных факторов. Взаимовлияние популяций друг на друга рассматривается на разных моделях (Слайд)

• Зависимость роста численности популяции от рождения. Модель роста популяции без ограничения (неограниченный рост).
• Исследование изменения численности популяции от различных факторов. Модель роста популяции с ограничениями (ограниченный рост).
• Модель ограниченного роста с отловом
• Исследование изменения численности в системе "хищник жертва".

Все эти модели можно изобразить и графически.

3. Закрепление. Практическая работа.

Это, возможно, сделать с помощью компьютера, это вы и будете делать далее.

Компьютерное моделирование

Построим в электронных таблицах компьютерную модель, позволяющую исследовать численность популяций с использованием модели неограниченного роста.

Выполнение практической работы с использованием инструкционных карт  и ПК (работа в парах).

Задание: используя данные натурных наблюдений (табл.1),  опишите популяцию   живых организмов по плану:

• Определите среднюю численность популяции.
• Выявите характер распределения популяции по  основной территории.
• Установите возрастную структуру популяции; постройте диаграмму.
• Постройте графическую модель биотического потенциала (удельную скорость роста численности) популяции.
• Определите время Т0,5, когда численность особей изменится в два раза по сравнению с первоначальной и сравните с расчётной величиной Т0,5 = ln2/r
• Сделайте вывод о степени благоприятности условий существования популяции и дайте прогноз её развития

4. Подведение итогов. Рефлексия.

Как люди могут использовать модели в своей деятельности? Приведите примеры.

Математическое и компьютерное моделирование даёт возможность прогнозирования развития популяций. Даёт возможность человеку вносить коррективы в изменение численности популяций, особенно это, актуально применительно к исчезающим видам. За последние годы с лица земли исчезло 65 видов птиц и 150 видов млекопитающих животных. Мы должны охранять природу и приумножать ее богатства.

5. Домашнее задание.

Задача 

Одноклеточная амеба каждые три часа делится на две клетки. Построить модель изменения количества клеток через 3, 6, 9, 12, … часов. Факторы,  приводящие к гибели амеб, не учитываются.

Практическая работа 1. Основные свойства популяций. Модель экспоненциального роста

Цель: изучить основные свойства популяций: структуру, динамику, биотический  потенциал; ознакомиться с методами обработки и анализа результатов натурных наблюдений.

Основные понятия и количественные закономерности:

При проведении любых количественных исследований важно с большой степенью точности дать оценку численности организмов.

Численность популяции -  общее количество особей, составляющих данную популяцию в определённый момент времени. Минимальное количество особей, при котором популяция не исчезает  по экологическим и генетическим причинам определяет нижний предел выживания. В целом, в современных условиях устойчивая популяция насчитывает несколько тысяч особей, хотя для различных видов нижний предел выживания разный.

Если позволяют условия местообитания и образ жизни организмов применяются методы прямого учёта. На первом этапе исследований, как правило, с помощью аэрофотосъёмки, определяются границы и площадь ареала. Внутри ареала выделяют квадраты равной площади и на каждом из них подсчитывают число особей (Xi) по половым и возрастным категориям - т.е. делается  выборка (n).

Плотность популяции ()- это количество особей или биомассы на единицу площади либо объёма - определяется как среднее арифметическое из всех выборок (n):

 (1)    где - плотность популяции, Xi - число особей в выборке, n- число выборок.

Общая численность организмов (N) в популяции определяется как произведение плотности популяции на площадь ареала:

                                                 (2)

 где N - численность популяции, S - площадь ареала.

Пространственное распределение  популяции внутри ареала носит вероятностный характер и отражает реакции организмов на различные экологические факторы: доступность пищевых ресурсов и физические условия или на присутствие конкурентов, и поэтому  является важной характеристикой популяции, необходимой для прогноза её численности. Выделяют три основных типа распределения организмов в пределах территории, занятой одной популяцией:

Равномерное распределение в природе чаще всего связано с острой конкуренцией между разными особями. Такой тип распределения отмечают у хищных  животных и рыб  с их территориальным инстинктом и сугубо индивидуальным характером.

Случайное (диффузное) распределение имеет место в однородной среде или среде, где интенсивность и направление действия различных экологических факторов изменяются не закономерно, а случайно.  Так на первых порах расселяется тля на поле. По мере роста популяции распределение приобретает групповой характер.

Групповое (мозаичное) распределение встречается наиболее часто. Так, в сосновом лесу деревья вначале расселяются группами, а в дальнейшем их размещение становится равномерным. Групповое распределение обеспечивает более высокую устойчивость по отношению к неблагоприятным условиям по сравнению с отдельной особью. Внутри популяций животных группировки носят разные названия - прайды, гаремы, стаи,  колонии и так дальше.

Характер пространственного распределения оценивается  по величине дисперсии, характеризующей отклонение значений относительно среднего значения:

;                                             (3)   где σ2 - дисперсия.

Если дисперсия σ2= 0, распределение считают равномерным; при

0   <  σ2 ≤  распределение случайное; если σ2  >  распределение групповое (скученное).

Плотность и численность популяции зависят от величин рождаемости и смертности особей.

Рождаемость - способность популяции к увеличению численности. Различают рождаемость абсолютную (В) – число новых особей за единицу времени и удельную (b от англ. birth –«рождение») – коэффициент рождаемости -  число новых (родившихся) особей на одну особь в единицу времени:

;        ;                                              (4)

где  BN -число актов рождений в популяции за весь период наблюдений Δτ, B - рождаемость в единицу времени, b- удельная рождаемость.

 Смертность определяют количеством особей, погибших за определённый период времени. Смертность подвержена более резким колебаниям, чем рождаемость и играет главную роль в регулировании численности популяций. Абсолютная смертность (D)– это число особей, погибших в единицу времени, удельная смертность (d от англ.death – «гибель») – коэффициент смертности - отношение абсолютной смертности к численности популяции:

;                                             (5)

где DN- число актов гибели за весь период наблюдений (); D- смертность в единицу времени; d- удельная смертность.

 Динамика численности напрямую связана с возрастной структурой популяции. По отношению к популяции выделяют три экологических возраста: дорепродуктивный, репродуктивный, и пострепродуктивный. В сокращающихся популяциях преобладают старые особи, которые уже не способны приносить потомство. Такая возрастная структура свидетельствует о неблагоприятных условиях. В быстро растущих популяциях преобладают интенсивно размножающиеся молодые особи. В стабильных популяциях это соотношение, как правило, 1:1. При благоприятных условиях в популяции имеются все возрастные группы, и поддерживается сравнительно стабильный  уровень численности, значительную долю которой составляют молодые половозрелые особи. Возрастная структура популяции определяется  на основании данных наблюдений по выборкам (n):

;                                            (6) где N - общая численность данной возрастной группы; n - число особей этой возрастной группы в выборке. Возрастная структура популяции, как правило, представляется в виде диаграмм, в которых площадь каждого прямоугольника соотносится с числом особей других возрастных групп в одном и том же масштабе.

Смертность в разных возрастных группах неодинакова и зависит от вида популяции. Изменения, происходящие в популяции (виде) по мере взросления и старения особей изображают в виде кривых выживаемости (рис. 22):

Рис.22. Основные типы кривых выживаемости [14]:

I – смертность слабо зависит от внешних факторов (популяции крупных животных и человека в благоприятных условиях);

II – равномерная смертность во всех возрастных группах (потомство ведёт самостоятельный образ жизни);

III – высокая смертность в ранние периоды жизни.

Биотический потенциал популяций  можно описать с помощью простых уравнений - модель Мальтуса. Построение этой модели основано на нескольких допущениях:

• не учитываются физиологические и биохимические процессы в популяции;
• рассматриваются только процессы рождения и естественной гибели, скорости которых пропорциональны численности особей в данный момент времени;
• рассматривается одна популяция, без учета взаимодействия с другими популяциями.

Так, в популяции с исходной численностью N0 особей, за промежуток времени Δτ появляется ΔN новых особей. Если число вновь появившихся особей прямо пропорционально N0 и Δτ то имеем уравнение:

      или  ,                           (7)

где r –биотический потенциал популяции или удельная скорость роста  численности. Удельная скорость роста численности (прирост популяции) рассчитывается как разница между удельной рождаемостью и удельной смертностью:

r = b - d,                                                (8) где b - удельная рождаемость, а d - удельная смертность (4,5).

 В дифференциальной форме уравнение роста:          ,

 а решением этого уравнения (интегральной формой) –  является функция  

,                                              (9)

где е - основание натурального логарифма.  В случае, когда рождаемость меньше смертности процесс изменения численности называется экспоненциальным затуханием.

Задание: используя данные натурных наблюдений (табл.1),  опишите популяцию   живых организмов по плану:

• Определите среднюю численность популяции.
• Выявите характер распределения популяции по  основной территории.
• Установите возрастную структуру популяции; постройте диаграмму.
• Постройте графическую модель биотического потенциала популяции.
• Определите время Т0,5, когда численность особей изменится в два раза по сравнению с первоначальной и сравните с расчётной величиной Т0,5 = ln2/r
• Сделайте вывод о степени благоприятности условий существования популяции и дайте прогноз её развития

Пример выполнения задания

1. Для нахождения численности, рассчитаем среднюю плотность популяции (1):

2.Рассчитаем численность популяции (2):

3.Определим характер распределения популяции по основной территории.  Для этого  рассчитаем дисперсию (3) :

Сравним значения дисперсии σ2 и плотности популяции :

20,03 > 12,1; следовательно, распределение по территории групповое (стаями).

Определим возрастную структуру популяции. Для этого рассчитаем численность птенцов (Np),  взрослых (Nr) и особей пострепродуктивного возраста (Nhr) (6):

Построим диаграмму возрастной структуры популяции (рис.23)

Рис. 23. Возрастная структура популяции

Построим    модель биотического потенциала популяции, для этого

рассчитаем     удельную рождаемость в популяции (4):             ;

удельную смертность (5):                    ;

определим биотический потенциал (8):    

Используя уравнение роста биотического потенциала (9):    , рассчитаем 10 – 12 значений  , выбрав соответствующие временные интервалы и составим таблицу:

Таблица результатов расчета:

Построим график c помощью ПК (рис. 24).

Вывод: положительный биотический потенциал и равномерная возрастная структура свидетельствуют об устойчивости популяции в данных условиях обитания. При отсутствии  лимитирующих факторов и взаимодействия с другими популяциями численность этого вида живых организмов способна  увеличиться за 20 лет с 242 до почти 11000 особей.

Варианты индивидуальных заданий