Занятие по биологии в 10 профильном классе «Квест "LabPopulus"»

Деятельность учителя

Деятельность

учащихся

УУД

Актуализация прежних знаний, подготовка к восприятию нового материала

Слайд 1. Добрый день, уважаемые гости! Сотрудники «LabPopulus» рады приветствовать участников квеста! В переводе с английского quest означает «поиск, выполнение поручений». Для этого участникам игры приходится взаимодействовать друг с другом, анализировать имеющуюся информацию, использовать эрудицию и все свои умения. [23]

Вы совершите интерактивную экскурсию по лаборатории популяционной динамики. Сегодня у вас другие имена: вы получили бейджи («K - слон», «r – одуванчик» и др.), чтобы на некоторых этапах занятия действовать от лица «своего героя».

Как вы думаете, чему посвящены исследования в нашей лаборатории?

Мы продолжаем изучение свойств популяции.

«Приспособительные возможности популяции неизмеримо выше, чем приспособительные потенции слагающих ее индивидов. Именно поэтому учение о популяции играет решающую роль в разработке теории создания измененного мира» С. С. Шварц [1]

Давайте вспомним формулировку понятия «популяция». Термин «популяция» был введен датским ученым-генетиком В. Иогансеном в 1903 году для обозначения «естественной смеси особей одного вида, неоднородной в генетическом отношении».

Слайд 2. Расположите цифры в таком порядке, чтобы получилось определение популяции, данное С. С. Шварцем.

«Популяция – совокупность особей, представляющая собой единую функциональную систему, которая обладает всеми необходимыми условиями для самостоятельного воспроизводства и существования в течение неограниченно длительного времени и способна как единое целое приспособительно реагировать на изменения внешней среды». [1]

Подчеркивая экологический аспект в характеристике популяции, И. А. Шилов определяет ее как «группировку особей одного вида, населяющих определённую территорию и характеризующихся общностью морфобиологического типа, специфичностью генофонда и системой устойчивых функциональных взаимосвязей». [1]

А. М. Гиляров (1990) отмечает, что в определении следует подчеркивать не биоценотическую приспособленность, а изолированность от других популяций того же вида: популяция – «любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолированных в пространстве и во времени от других аналогичных совокупностей того же вида». [1]

По Тимофееву-Ресовскому под популяцией понимается совокупность особей определенного вида, в течение достаточно длительного времени (большого числа поколений) населяющих определенное пространство, внутри которого практически осуществляется та или иная степень панмиксии и нет заметных изоляционных барьеров, которая отделена от соседних таких же совокупностей особей данного вида той или иной степенью давления тех или иных форм изоляции.

Экологический аспект популяционной биологии направлен на изучение жизни популяции как формы существования вида в составе конкретных экосистем. [2]

Как видим, понятие о популяции может быть охарактеризовано и с эволюционной, и с генетической, и с экологической позиций.

Изучением процессов, происходящих в популяции, занимается раздел экологии – популяционная экология, используют разнообразные методы: эксперимент, наблюдение и др. Широко используют также моделирование. При этом применяют математическую обработку данных (математическое моделирование). Методы моделирования позволяют прогнозировать, в каких направлениях далее будет развиваться данная популяция.

Сегодня мы уделим внимание демографической характеристике популяции, изменению ее численности.

Для характеристики численности популяции нам потребуются некоторые демографические показатели. Давайте вспомним их. Соотнесите термин и его расшифровку.

Проверить выполнение этого задания очень просто: для удобства дальнейшей работы данные термины и их расшифровки расположены напротив друг друга.

Слайд 3. Каждая ваша пара (K-r) получает пакет задач, ответы на которые нужно вписать в соответствующие клетки матрицы. Постарайтесь в паре набрать максимум баллов.

Проверим:

1. Показатель плотности населения популяции: 20 особей на гектар.

2. Показатель рождаемости (или смертности) населения популяции: 100 особей в год.

3. Плотность поголовья лосей:

на момент создания заповедника - 0,5 особи/км2;

через 5 лет после создания заповедника - 6,5 особи/км2;

через 15 лет после создания заповедника - 0,9 особи/км2.

Объясните, почему сначала численность лосей резко возросла, а позже упала и стабилизировалась.

4. Задание для К – стратегов: Численность соболей в конце года – 18 особей;

плотность весной – 0,4 особи/км2;

плотность в конце года - 0,9 особи/км2;

показатель смертности за год – 2 особи (согласно расчетам – 1,8, но реальная величина, естественно, всегда будет выражаться целым числом);

показатель рождаемости за год – 12 особей.

5. Задание для r – стратегов: Решаем пропорцию: 50 : Х = 20 : 70; Х = 70 х 50 : 20 = 175.

Таким образом, расчетная численность зайцев на исследуемой территории составляет 175 особей.

Данный метод (индекс Линкольна, или индекс Петерсена) используется для определения численности скрытных животных, которых не удается пересчитать напрямую. [3]

Существует несколько методов определения плотности и численности популяций разных видов организмов:

Метод пробных участков. Суть его в том, что на исследуемой территории проводят подсчет особей или взвешивания их (в случае мелких существ), отбирая для этого определенное количество пробных участков. Для крупных хищников площадь подсчета может достигать 100 км2, для подсчета деревьев, белок, муравейников достаточная площадь 1 га, а для дождевого червя, личинок майского жука, колорадского жука - 1 м2. В водной среде или в почве это - единицы объема - 1 литр, 1 м3, 1 см3 т.д.

Метод общего подсчета используется для определения численности и плотности крупных или хорошо заметных организмов и для существ, которые живут колониями (муравейники, осиные гнезда, пчелиные рои).

Метод мечения с последующим повторным отловом подвижных животных. При повторном отлове устанавливают часть меченых особей среди отловленных и на основе этого оценивают плотность популяции, скорость ее роста.

Безделянковый метод используют для определения плотности крупных прикрепленных организмов (деревьев и др.).

Для подсчета численности популяций крупных подвижных животных (волков, оленей, сайгаков) используют метод облета территории на самолете или вертолете на низких высотах, поскольку популяции этих животных занимают очень большие территории. [22]

Основным видом учета является зимний маршрутный учет (далее - ЗМУ). ЗМУ применяется для определения плотности и численности охотничьих зверей и птиц на больших территориях. Зимний маршрутный учет относится к методам комплексного учета, т.е. с его помощью можно одновременно определить численность многих видов зверей и оседлых охотничьих птиц. Методика ЗМУ основана на том, что число пересечений учетным маршрутом следов зверей учитываемого вида прямопропорционально плотности населения этого вида.

Общая протяженность постоянных маршрутов учета на территории охотничьих угодий Вологодской области составляет более 19 тыс. км, в ходе ЗМУ определяется численность в отношении 16 видов охотничьих животных.

Кроме ЗМУ в отчетном году проведены учет бурого медведя на кормовых полях, учет численности водоплавающих видов птиц, учет тетеревиных птиц на токах, учет вальдшнепа на вечерней тяге, оценка численности барсука, енотовидной собаки.

В целом, производится учет 80% животных от общего количества охотничьих ресурсов, обитающих на территории области. [16]

Участники квеста прикрепляют бейджи

Учащиеся расшифровывают «Populus» как латинское название популяции

Работа учащихся с Приложением №1 (термин «популяция»)

Озвучивание формулировки

Работа учащихся с Приложением №1 (демографические характеристики)

Работа учащихся с Приложением №1 (задачи)

- Численность лосей возросла из-за охраны на территории заповедника. Позже численность уменьшилась, так как в заповедниках рубка леса запрещена. Это привело к тому, что через 15 лет мелкие деревья, растущие на старых вырубках, выросли, и кормовая база лосей уменьшилась.

ЛУУД: осознание личностного значения изучения темы

РУУД: целеполагание

РУУД: рефлексия содержания материала

КУУД: умения публичного мини-выступления

РУУД: рефлексия содержания материала

ПУУД: умения анализа информации

ПУУД: умения конкретизации ЛУУД: осознанию личностного значения изучения темы

ПУУД: установление причинно-следственных связей

КУУД: умения изложения своего мнения, аргументации его

Создание проблемной ситуации, освоение новых знаний и способов действий

В экологической олимпиаде был следующий вопрос:

«В 70-х гг. ХIХ в. на Вест-Индийские острова были завезены 9 мангустов для борьбы с расплодившимися крысами – вредителями плантаций сахарного тростника. Зверьки прижились и стали размножаться. Со временем количество мангустов возросло до сотен тысяч. Крыс стало меньше, однако вместе с ними стали исчезать местные виды лягушек, птиц, ящериц, крабов. На этом фоне значительно размножились насекомые, питающиеся сахарным тростником. Как вы думаете, почему люди не получили ожидаемого эффекта от акклиматизации мангустов и повышения урожайности тростника? Почему численность мангустов резко возросла? Почему размножились насекомые, питающиеся сахарным тростником?» [3]

Чтобы получить ответы на эти вопросы, мы и продолжим квест в LabPopulus.

Модели роста численности популяции

Численность – это поголовье животных или количество растений, например деревьев, в пределах некоторой пространственной единицы – ареала, бассейна реки, акватории моря, области, района и др.

Существует несколько моделей роста численности популяций (т.е. закономерностей изменения численности популяции при ее росте «от нуля»), главные из них – экспоненциальная и логистическая.

Одна из первых моделей динамики роста популяций принадлежит Т. Мальтусу (1766-1834 гг.), английскому экономисту и священнику. В своем труде «Опыт о законе народонаселения» Мальтус утверждал, что в человеческом обществе, как и во всей живой природе, существует абсолютный закон безграничного размножения особей. При этом рост населения Земли идет в геометрической прогрессии, в то время как средства существования увеличиваются лишь в арифметической. Врачебную деятельность Мальтус считал противоестественной, так как она сохраняет жизнь «лишним людям», считал благом войны, снижающие численность населения.

Модель экспоненциального роста описывается J образной кривой: в условиях постоянного поступления ресурсов скорость роста популяции увеличивается и кривая взмывает вверх.

Ч. Дарвин рассчитал потенциальные возможности роста популяций разных организмов при реализации экспоненциальной модели. По его оценкам, число потомков одной пары слонов – животных, размножающихся чрезвычайно медленно, – через 750 лет достигнет 19 млн. Если же обратиться к организмам, живущим не так долго и размножающимся более быстро, то цифры будут еще более впечатляющими. У бактерий, которые делятся каждые 20 минут, из одной бактериальной клетки через 36 часов может образоваться биомасса, которая покроет весь земной шар слоем толщиной 30 см, а еще через 2 часа – слоем в 2 м.

Слайд 4. Представьте себе, что Вы ученый, занимающийся разделом математической экологии – популяционной динамикой, изучаете популяцию дикого голубя. На основании имеющихся данных определите, как будет меняться плотность популяции голубя в течение 5 ближайших лет, постройте график динамики численности популяции голубя.

Какие выводы можно сделать, исходя из данной математической модели?

«Поскольку ни бактерии, ни слоны не покрывают землю сплошным слоем, очевидно, что на самом деле в природе экспоненциальный рост популяций организмов или не происходит вообще, или же происходит, но в течение непродолжительного времени, сменяясь затем спадом численности или выходом ее на стационарный уровень» (Гиляров, 1990). [1]

В природе экспоненциальный рост численности популяций наблюдается в сравнительно кратковременные периоды жизни при особо благоприятных условиях, когда постоянно пополняются ресурсы. Так в озерах умеренных широт весной после таяния льда в приповерхностном слое воды содержится много биогенных элементов. По этой причине после прогревания воды здесь наблюдается быстрый рост численности диатомовых и зеленых водорослей. Однако он также быстро прекращается, когда эти ресурсы оказываются израсходованными и, кроме того, зоопланктон начнет активно выедать водоросли (т.е. за счет регулирования плотности популяций «снизу» и «сверху»). [4]

Пример экспоненциального роста популяции – история интродукции северного оленя на острова. Так от 25 особей (4 самца и 21 самка), завезенных в 1911 г. на остров Святого Павла (Берингово море), к 1938 г. сформировалась популяция из 2000 оленей. Однако затем последовал спад численности, и к 1950 г. сохранилось всего 8 особей. Причина краха популяции – нарушение отношений «растение – фитофаг» ввиду отсутствия в пищевой цепи третьего звена – хищника. [4]

Логистическая модель роста популяций, описываемая S-образной кривой (медленный рост – быстрый рост – медленный рост), была предложена в начале XIX века бельгийским математиком П. Ф. Ферхюльстом.

П. В. Турчин считает эту модель отражением закона «самоограничения роста любой популяции».

Причины замедления роста популяции могут быть самыми различными: выедание ресурсов, влияние эффекта скученности (у грызунов при этом снижается интенсивность репродуктивного процесса), отравление местообитания прижизненными выделениями, выедание популяции хищниками и т.д.

Тем не менее, и эта кривая является идеализацией, так как крайне редко проявляется в природе. Очень часто после того, как рост популяции выйдет на плато (достигнет предела, соответствующего количеству ресурсов), происходит внезапное уменьшение ее численности, а потом популяция вновь быстро растет. Таким образом, ее динамика оказывается состоящей из повторяющихся логистических циклов.

Такая циклическая динамика наблюдается, например, в популяциях тундровых леммингов, которые питаются мхами и лишайниками. Они продолжают активную жизнедеятельность под снегом и выедают свою кормовую базу настолько, что прекращают размножаться, а затем начинают умирать от бескормицы. После того, как мхи отрастут, начинается новый подъем численности леммингов.

Возможны колебания численности популяции под влиянием погодных условий, паразитов и хищников.[4]

Кривые выживания

Слайд 5. Выживаемость - абсолютное число особей (или процент от исходного числа особей), сохранившихся в популяции за определенный промежуток времени, разница между рождаемостью и смертностью.

Постройте кривую выживания, характеризующую изменения численности группы особей, родившихся одновременно. До какого возраста доживут особи этой группы?

Какие выводы можно сделать, исходя из данной математической модели?

Выживаемость можно выразить в виде кривых выживания, которые отражают, как по мере старения снижается численность особей одного возраста в популяции.

Слайд 6. Различают три основных типа кривых выживания:

Кривая I типа (сильно выпуклая) соответствует ситуации, когда смертность ничтожно мала в молодом и среднем возрасте, но в старом возрасте быстро увеличивается и все особи погибают за короткий срок. Перль назвал эту кривую «кривой дрозофилы». Кривая I типа свойственна насекомым, погибающим после кладки яиц, людям в развитых странах, некоторым крупным млекопитающим.

Кривая II типа (диагональная) представляет ситуацию, когда во всех возрастных классах смертность особей одинакова. Такова динамика популяций многих рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.

Кривая III типа (сильно вогнутая) выражает массовую гибель особей в начальный период жизни, а затем низкую смертность выживших особей. Эту кривую Перль назвал «типом устрицы», она характерна для многих рыб, беспозвоночных, растений и других организмов, не заботящихся о потомстве и выживающие за счет огромного количества икринок, личинок, семян и т.п.

Встречаются кривые, сочетающие черты основных типов (например, у людей, живущих в отсталых странах, и некоторых крупных млекопитающих кривая I типа вначале имеет резкое падение в связи с большой смертностью сразу после рождения). [4]

Слайд 7. Подобное задание предлагалось в муниципальном этапе биологической олимпиады в 2017-18 уч. г. Надеюсь, теперь вы выполните его с лёгкостью!

К какому типу кривых относится кривая, полученная вами в ходе выполнения задачи?

Выскажите предположение о виде, для которого характерна эта кривая.

Слайд 8. K- r -стратегия

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему одни организмы оставляют многочисленное потомство, а другие дают жизнь всего нескольким особям? Оказывается, что количество потомков и забота о них – это часть экологической стратегии вида, которая обеспечивает представителям этого вида успех в борьбе за существование. Выделяют два типа экологических стратегий: r-стратегия – «стратегия количества» и K-стратегия – «стратегия качества».

Теория r-K отбора была разработана в 1967 году двумя американскими экологами - Робертом МакАртуром и Эдвардом Уилсоном. [6]

Разделитесь на 2 группы: K-r-стратеги.

Взгляните на свои бейджи, бейджи других участников квеста, дайте характеристику K-r-стратегам по плану:

Размеры особей;

Плодовитость;

Смертность;

Забота о потомстве;

Продолжительность жизни…

Слайд 9. r-стратеги (r-виды, r-популяции) - популяции из быстро размножающихся, но менее конкурентоспособных особей. Такие популяции быстро расселяются, но они малоустойчивы. К ним относятся бактерии, тли, однолетние растения и др.

K-стратеги (K-виды, K-популяции) - популяции из медленно размножающихся, но более конкурентоспособных особей. Такие популяции населяют стабильные местообитания. К ним относятся человек, кондор, деревья и др. [6]

Динамика численности популяций

Поддержание оптимальной в данных условиях численности («размера популяции») называют гомеостазом популяции. Поддержание гомеостаза популяции зависит от биологических свойств самого вида, биотического потенциала популяции, осуществляется через взаимоотношения особей и во многом зависит от экологической емкости биотопа.

К. Фридерикс (1927) сформулировал «правило биоценотической регуляции численности популяции»: регуляция численности популяции является результатом комплекса воздействий абиотической и биотической среды в местообитании вида. [1]

Х. Андревата и Л. Бирч (1954) уточнили это правило, отметив, что численность популяции ограничена взаимосвязанными истощением пищевых ресурсов и условий размножения. [1]

При оценке численности, важно знать динамику численности (тенденцию изменения ее показателей за определенный период времени – сезон, год, ряд лет) и периодичность (цикличность) колебаний численности.

Н. Ф. Реймерс (1992) сформулировал «правило колебаний (цикличности) численности»: обязательно помимо сезонных изменений численности особей возникают периодические флуктуации (несимметричные отклонения от равновесия популяции), обусловленные внешними по отношению к популяции факторами, и осцилляции (колебания), связанные с собственными (внутренними) динамическими изменениями популяции. [1]

Слайд 10. Постройте график изменения заготовок шкурок зайца-беляка на севере европейской части России последовательно за 27 лет.

Какой вывод можно сделать?

Сколько лет длится один цикл в динамике численности зайца-беляка?

Из приведенных примеров выберите те, которые описывают случаи, когда на новых территориях виды-вселенцы, не встретив врагов-регуляторов, давали взрыв численности: американский клен в Европе, колорадские жуки в Европе, кролики в Австралии, волнистые попугайчики в Европе, кукуруза в Европе, домовые воробьи в Америке, канадская элодея в Европе, канадская голубая ель в Старом Свете.

Выводы:

Слайд 11. 1. Любая популяция теоретически способна к неограниченному росту численности, если ее не лимитируют факторы внешней среды, скорость роста популяции будет зависеть только от величины биотического потенциала, свойственного виду. Понятие биотического потенциала введено в экологию в 1928 г. Р. Чепменом. Этот показатель отражает теоретический максимум потомков от одной пары (или одной особи) за единицу времени, например за год или за весь жизненный цикл.

Величина биотического потенциала чрезвычайно различна у разных видов. Например, самка косули способна произвести за жизнь 10–15 козлят, трихина – отложить 1,8 тыс. личинок, самка медоносной пчелы – 50 тыс. яиц, а луна-рыба – до 3 млрд. икринок. Высокий биотический потенциал – эволюционный ответ вида на пресс неблагоприятных для него воздействий среды, вызывающих высокую смертность. [17]

В природе биотический потенциал популяции никогда не реализуется полностью.

Слайд 12. 2. Безграничный рост численности губителен для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. Вся эволюция видов шла в таком направлении, что выработались механизмы реакции на собственную плотность. На пути увеличения численности вида возникает множество последовательных преград, образующих надежную систему регуляции. Поэтому, хотя в природе миллионы видов, большинство из них не дает вспышек массового размножения. На численность популяций влияют две группы факторов. Действие одних одностороннее. Они влияют на популяцию, но сами не зависят от ее численности и плотности. Таковы в основном все абиотические факторы, например, все погодные условия: температура, дожди, ветры, солнечная радиация, давление и т. п. Они могут обусловить значительную смертность или, наоборот, благоприятствовать размножению. Эти факторы не регулируют плотность популяции, а просто отклоняют ее в ту или иную сторону. Их изучение важно для прогноза численности вида на данной территории.

Вторая группа факторов относится к регуляторам численности популяций. Это двустороннее взаимодействие. Она возникает по принципу отрицательной обратной связи, когда рост численности популяции вызывает все увеличивающееся противодействие этому росту. Действие регулирующих факторов зависит от плотности популяции. Чем выше становится численность вида, тем сильнее растет противодействие. При падении численности действие регуляторов ослабевает. По этому принципу на популяцию действуют как другие виды, так и рост собственной плотности.

Действительно, чем выше численность жертв, тем больше пищи для хищников и паразитов, тем быстрее могут распространяться возбудители опасных заболеваний и тем сильнее обостряется конкуренция внутри собственного вида.

Таким образом, факторы, регулирующие численность популяции, т. е. возвращающие ее к норме из состояния переуплотнения, – это в основном межвидовые и внутривидовые отношения, т. е. биотические связи. Именно они удерживают плотность популяции в определенных границах, не допуская виды до критического состояния – подрыва собственных ресурсов.

У разных видов это происходит по-разному. У растений, например, с возрастанием плотности усиливается прямая конкуренция за свет, воду, минеральное питание, в результате чего происходит самоизреживание: более сильные растения подавляют слабые.

У подвижных животных часть особей выселяется за пределы занятой территории и ведет поиск новых мест обитания.

Очень распространенным способом регуляции населения у животных является особое территориальное поведение, при котором особь или семья не пускают других на свой участок.

У обитателей замкнутых водоемов: рыб и головастиков, рост и развитие могут тормозиться продуктами обмена веществ, когда их концентрация достигает критических пределов.

Популяции могут рассматриваться как сложные системы с элементами саморегуляции. При этом возникает так называемая отрицательная обратная связь: повышение плотности популяции усиливает действие механизмов, снижающих эту плотность - это приводит к гомеостазу популяции.

Экологически грамотно управлять численностью популяций конкретных видов можно, только хорошо изучив особенности их роста и способы саморегуляции, иначе может быть получен прямо противоположный результат.

3. Численность любой популяции чрезвычайно динамична. Кривая роста численности популяции, показывающая, что она со временем достигает стабильного состояния, – это крайне идеализированная схема событий. На самом деле численность популяции не застывает на одном месте, а постоянно колеблется вокруг некоторого среднего уровня в соответствии с изменяющимися условиями. Размах этих колебаний может быть очень различным.

Слайд 13. Задание для К – стратегов: Что произойдет с численностью популяции, если «весы» в популяции качнутся в сторону биологического потенциала – совокупности факторов, которые способствуют увеличению численности популяции? Какие условия могут способствовать этому?

Биотический потенциал:

Способность к захвату новых местообитаний; рождаемость; способность к расселению; защитные механизмы; способность выдерживать неблагоприятные условия; достаточное количество питательных веществ; снижение смертности; достаточное количество воды; благоприятные климатические условия; уменьшение пресса хищников, паразитов, болезней; антропогенный фактор и др.

Слайд 14. Задание для r – стратегов: Что произойдет с численностью популяции, если «весы» в популяции качнутся в сторону сопротивления среды – совокупности лимитирующих факторов, которые способствуют снижению численности популяции? Какие условия могут способствовать этому?

Сопротивление среды:

Нехватка воды; хищники; конкуренты; неблагоприятные погодные условия; болезни; паразиты; нехватка подходящих местообитаний; нехватка пищи; сверхвысокая плотность особей в популяции и др.

Антропогенный фактор может способствовать как увеличению численности популяции, так и ее снижению.

Слайд 15. Выделяют три типа динамики популяций: стабильный, изменчивый и взрывной. Стабильным считается ход численности при изменениях всего в несколько раз, изменчивым – при колебаниях в десятки раз, а взрывная динамика характеризуется периодическим превышением обычной численности в сотни и тысячи раз. [18]

Что происходит, если антропогенное воздействие ослабляет регуляторные связи в природе?

Английский эколог Чарлз Элтон впервые обобщил наблюдения и описал взрывы численности завезенных видов, которые он назвал «экологическими нашествиями». До возникновения промышленного земледелия виды, которые мы называем вредителями, не были ими, потому что не размножались в таких количествах, находясь под влиянием многочисленных регуляторов. При сплошной распашке земель, в обедненных видами сообществах тип динамики численности многих насекомых, питающихся культурными растениями, превратился из стабильного в сильно изменчивый или взрывной, доставляя много неприятностей человеку.

Различают непериодические (незакономерные) и периодические (закономерные) колебания численности.

Непериодические (незакономерные) колебания прямо связаны с положительным или отрицательным влиянием каких-либо факторов среды и носят непредвиденный характер.

Например:

- резкое сокращение численности американской сельди. С 1900 года ее ежегодно добывали по 2000 тонн, затем уловы снизились на 98%. В 1944 году численность сельди по неизвестным причинам внезапно резко возросла и уловы достигли 2500 тонн;

- вспышки массового размножения ондатры, кроликов, колорадского жука, связанные с освоением новых местообитаний;

- нашествие кактуса опунции на Австралийский континент;

- распространение водяного папоротника сальвинии в Австралии и Юго-Восточной Азии (остров Тайвань)

К непериодическим колебаниям относятся также антропогенные воздействия человека (тепловое загрязнение, внесение пестицидов, промысловая охота, распашка степей, нарушение режимов экологических факторов).

Периодические (закономерные) колебания происходят под влиянием закономерно меняющихся факторов внешней среды, а также связаны с особенностями, присущими самой популяции.

Периодические колебания численности популяций могут происходить в течение нескольких лет (многолетние) или одного сезона (сезонные). [21]

Сезонный тип динамики численности характерен для видов с резко возрастающей плотностью популяций в течение одного сезона. Он свойствен небольшим по размеру организмам, которые дают многочисленное и быстро созревающее потомство и способны в короткий срок резко увеличить свою численность. К таким организмам относятся представители планктона - дафнии, циклопы, коловратки, а среди наземных - многие виды насекомых, грызунов и однолетних травянистых растений, домашние мухи. [18]

К наиболее известным примерам периодических колебаний можно отнести:

- циклические колебания с подъёмом численности в среднем через 3-4 года у тундровых животных: песца, полярной совы, северных мышевидных грызунов (мышей, полевок, леммингов);

- сезонные колебания численности характерны для многих насекомых, мышевидных грызунов, птиц, мелких водных организмов, а также для растений. Вспышки массового размножения этих видов происходят в конце каждого сезона размножения за счет появления молодых особей. [21]

4. Общие изменения численности популяции складываются за счет четырех явлений: рождаемости, смертности, вселения и выселения особей (иммиграция и эмиграция).

5. Современные представления о динамике популяций дают возможность предсказывать ход численности отдельных видов, а также усиливать или ослаблять регуляторные связи в управлении их численностью.

Предположения учащихся

Работа учащихся с Приложением № 2. Кривые роста численности популяции

- Численность голубя растет довольно быстро, приближаясь J-образной кривой…

Работа учащихся с Приложением № 3. Кривые выживания

- Большая численность популяции резко уменьшается, если высока «детская смертность» (40%)…

Если смертность одинаковая, но не высокая (15-20%), то численность популяции убывает плавно…

- Чем старше популяция, тем медленнее уменьшается численность…

Озвучивание ответов учащимися

- Кривая III типа (сильно вогнутая)

- Возможно, это рыба, или растение…

- K-стратеги: крупные особи с малой плодовитостью (имеют S-образную кривую роста численности) и с заботой о небольшом числе потомства, невысокой смертностью, долгой жизнью…

- r-стратеги имеют J-образную кривую роста численности, многочисленны, быстро размножаются, не заботясь о потомстве, смертность высота, продолжительность жизни мала…

Работа учащихся с Приложением № 4. Динамика численности популяций

- Численность зайцев изменяется – происходят периодические колебания, поэтому меняется и число заготовленных шкурок…

- Около 11-12 лет…

- Колорадские жуки в Европе, кролики в Австралии, домовые воробьи в Америке, канадская элодея в Европе…

Учащиеся формулируют вывод кратко:

- Биотический потенциал вида – максимум потомков в благоприятных условиях.

- Численность популяции в природе регулируется абиотическими и биотическими (саморегуляция) факторами.

Работа учащихся с Приложением «Весы» в популяции»

- Действие противоположных факторов

Выводы: - Типы динамики численности популяций: стабильный, изменчивый, взрывной.

- Численность популяции колеблется непериодически и периодически.

- Численность популяции – это «+» рождаемость, «-« смертность, «+»вселение, «-« выселение особей.

- Численность популяции может регулировать человек.

ЛУУД: умения составления оценочных суждений

КУУД: умения публичного мини-выступления

ПУУД: умения строить и читать график, умения анализа информации

ПУУД: моделирование

ПУУД: умения анализа информации, умения строить и читать графики, моделирование, конкретизация

ПУУД: умения конкретизации

ПУУД: умения читать графики;

ЛУУД: умения составления оценочных суждений

ПУУД: умения конкретизации, перевода визуальной информации в аудиальную

КУУД: умения публичного мини-выступления

ПУУД: умения анализа информации, умения строить и читать графики, моделирования, обобщения и формулирования выводов

РУУД: рефлексия содержания материала

ПУУД: умения обобщения и формулирования выводов

КУУД: умения публичного мини-выступления

ПУУД: умения анализа информации, конкретизации

ПУУД: умения конкретизации

ПУУД: умения обобщения и формулирования выводов

Формирование умений и навыков, способов мышления и деятельности посредством применения знаний, полученных в результате разрешения проблемы

Примером современного «нашествия» вида, изменившего всю структуру сообщества, является размножение в Черном море гребневика Mnemiopsis leigyi, занесенного с балластными водами судов от побережья Северной Америки. Этот гребневик обладает гигантским репродуктивным потенциалом, производя ежесуточно до 10 000 яиц. Личинки тоже могут продуцировать яйца, из которых развиваются взрослые гребневики. При наличии пищи общая масса мнемиопсиса может удваиваться за 2–3 суток. Гребневик питается ветвистоусыми и веслоногими рачками, другим мелким зоопланктоном, икрой и личинками рыб. Впервые мнемиопсис был отмечен в Черном море в 1987 г. Уже через три года его масса составила 3–4 кг, а местами до 12 кг под каждым квадратным метром воды. Одновременно резко упала численность медуз Aurelia aurita, господствовавших до этого в планктоне. Выедая кормовой планктон, икру и личинок рыб, гребневик вызвал резкое падение общего их улова. Например, вылов ставриды сократился, со 110–115 тыс. т всего до 3 тыс. т. В Азовском море запасы тюльки – корма для хищных рыб – сократились в 400 раз, а ее добыча упала с 50–70 тыс. т до 100 т. В последующие годы численность гребневика понизилась, но он по-прежнему выедал основную массу зоопланктона.

С 1997 г. в Черном море стал встречаться другой гребневик – Веrое ovata, распространенный на севере Атлантики и в Баренцевом море. Для него мнемиопсис явился хорошей кормовой базой, и численность последнего упала на порядок величин. В некоторых местах акватории он вообще не встречался. Снова стала размножаться медуза аурелия. Однако обилие Beroe в Черном море неустойчиво, этот гребневик адаптирован к более высокой солености воды. Появление и размножение его происходит волнами, а в период спада снова размножается Mnemiopsis. [20]

Зачем нужны сведения о динамике численности популяций?

Слайд 16. Динамика численности важна:

Для нормального развития экосистем;

Для регуляции человеком охотничьих, промысловых и иных ресурсов, определения максимальной доли изъятия урожая (МДУ);

Для правильной деятельности человека в отношении редких и исчезающих видов;

Для учета последствий реакклиматизации и интродукции видов

Для регуляции человеком охотничьих ресурсов, определения максимальной доли изъятия урожая (МДУ) необходимы знания динамики численности популяций

Какой из перечисленных способов увеличения численности промысловых животных является наиболее эффективным и почему.

а) введение законов, ограничивающих промысел;

б) искусственное разведение;

в) улучшение условий местообитания и увеличение емкости среды.

Слайд 17. Правильный ответ: Улучшение условий местообитания и увеличение емкости среды… Какие примеры вы можете привести?

А еще:

Устройство кормовых полей и подкормочных площадок;

Подрубка и омолаживание деревьев и кустарников;

Заготовка кормов;

Расчистка дорог и просек;

Обозначение аншлагами границ охотничьих угодий;

Регулирование численности хищников;

Организация государственных зоологических заказников и воспроизводственных участков. [16]

Рост численности популяций любого вида в природе никогда не бывает бесконечным. Рано или поздно популяция сталкивается с ограничениями, не позволяющими ей наращивать далее свое обилие. Ресурсы, за счет которых существуют виды (пища, убежища, подходящие места для размножения и т. п.), на любой территории имеют пределы. Эти пределы называют емкостью среды для конкретных популяций. Например, еловый лес – более емкая среда для белок, чем смешанный, с березами, так как основная пища белок в наших лесах – семена хвойных. В пригородных лесах и парках емкость среды для белок можно увеличить, размещая подкормку. В природных условиях численность популяций обычно колеблется вокруг определенного уровня, соответствующего емкости среды, хотя размах этих колебаний у всех видов разный.

Слайд 18. Проанализируйте охотничьи ресурсы Вологодской области. Сделайте выводы. Определите, соответствует ли лимит охотресурсов МДУ.

В 2016 году вологодские охотники добыли 326 волков, что является рекордным показателем за последние пять лет. Больше всего хищников отстрелили в Вытегорском (40 особей), Великоустюгском (30 волков) и Верховажском (28 зверей) районах.

В 2017 году в Вологодской области на отстрел волков выделили 800 тысяч рублей. Премии охотники начнут получать уже в феврале. Кроме того, за добычу двух волков охотник будет получать разрешение на охоту на лося. [9]

Какой процент составила добыча волков от охотресурса?

Как вы считаете, правомерна ли с точки зрения экологов такая добыча? Почему?

Слайд 19. Без определенного числа хищников невозможно нормальное развитие экосистем

Хищные звери, рыбы и птицы, которые стоят на вершине пищевой пирамиды, терпят бедствие. За последние 100 лет численность крупных хищников в мире сократилась более чем на 90%.

Долгое время, и особенно активно в последние 100 лет, человек осваивал, а по сути, уничтожал места естественного обитания крупных хищников. Львы, акулы, орлы и др. оказались на грани вымирания.

Бурый медведь, подвиды которого были широко распространены по всей Европе, Азии, Америке и даже на севере Африки, сейчас по большей части истреблен. Исчезли калифорнийский гризли, мексиканский бурый медведь, африканский медведь, а апеннинского и вовсе можно пересчитать чуть ли не по пальцам.

Плачевна участь тигров в лесах Азии, чуть в лучшем положении львы, но и их за последние десятилетия стало гораздо меньше. В некоторых местах планеты хищников осталось так мало, что они утратили свою природную значимость, а это негативно сказывается на экосистемах.

Численность многих видов стала стремительно сокращаться, а некоторые вымерли задолго до появления в середине прошлого века современных экологических теорий, более совершенных методик полевых исследований и учета животных в естественной среде.

И все же выход из этой, казалось бы, безнадежной ситуации есть. Ученые решили пойти от обратного и занялись изучением реакции отдельных экосистем на искусственное заселение в них ранее исчезнувших животных и, в частности, крупных хищников. Один из удачных примеров такого подхода - Йеллоустонский национальный парк, международный биосферный заповедник на севере США.

Если бы в 1995 году сюда не привезли из Канады три десятка волков, которые исчезли из местных лесов в 20-х годах прошлого века, здешние тополя погибли бы полностью. Ученым удалось проследить взаимосвязь между резким сокращением хищников и балансом в экосистеме.

Расплодившаяся армия оленей вапити уничтожала листья, кору и побеги тополей и ив. Из-за их прожорливости из Йеллоустонского парка и других частей Скалистых гор стали уходить бобры, для которых кора ивы - основной корм. Когда бобры перестали строить плотины, пересохли созданные ими водоемы, которые, в свою очередь, способствовали дополнительной динамике в ландшафте, вокруг них селились всевозможные животные и птицы, соответственно, возрастало биологическое разнообразие.

Канадские «переселенцы» начали быстро размножаться, и уже через несколько лет в Йеллоустоне наметились первые признаки оздоровления. Волки слегка проредили популяцию прожорливых вапити, а оставшимся пришлось изменить линию поведения, а заодно и места поживы. Если раньше они обгладывали все деревья подряд, то теперь стали избегать крутых склонов, затопленных лесов и густых зарослей, откуда было бы трудно унести ноги от преследователей.

Теперь даже на равнинах, где все просматривается издалека, олени все равно подолгу присматриваются к местности. Осторожность не только спасает им жизнь, она еще и ограничивает время их трапезы - к великому счастью для ив и тополей, а, следовательно, бобров, птиц и других обитателей, ведь теперь деревья смогут окрепнуть, и вырасти гораздо выше пределов досягаемости оленей. Стало больше бобров, птиц и деревьев, мелких санитаров леса.

Воронам, орлам и койотам после волчьих трапез достается долгожданная падаль, и это помогает им выживать в суровые зимы. Без волков количество падали в зимнее время более непредсказуемо для животных-санитаров: в мягкие зимы погибает сравнительно мало оленей и других животных.

С другой стороны, волки неизбежно потеснят койотов. Сегодня последних уже стало вдвое меньше, а в основных местах обитания волков вообще упало до 10% от прежней цифры. Дело в том, что для волка младший собрат - нежелательный конкурент. Брачный сезон - особенно опасный период для койотов, когда волк с легкостью вынюхивает нору койота с детенышами. А раз койотов станет меньше, численность популяций животных, не представляющих интерес для крупных хищников, возрастает.

Но предсказать все последствия трудно. Как только из районов с преобладанием кустарниковой растительности в пригородах Лос-Анджелеса исчезли койоты, контроль над территорией перешел к домашним кошкам. Смена власти привела к резкому сокращению численности мелких птиц. В Западном Техасе все немного иначе: когда с подопытных территорий удалили койотов, между 12 видами грызунов разразилась война за пропитание. Через год в соответствии с принципом «должен остаться только один» один и остался. Мешотчатая мышь оказалась самым стойким и приспосабливаемым грызуном.

Биологи всесторонне исследуют, каким образом отсутствие крупных хищников влияет на состояние пищевых цепей. Очевидно, последствия, так или иначе, определяются особенностями и составом каждой отдельной экосистемы. Часто исчезновение крупного хищника сказывается только на следующем звене пищевой цепи. Иногда же это затрагивает существование как средних хищников и травоядных животных, так и растений и даже мелких водорослей. [11]

Слайд 20. Правильная деятельность человека в отношении редких и исчезающих видов не возможна без знаний динамики их численности

В степях до появления человека обитало большое количество травоядных животных. В североамериканских прериях паслось 75 млн. бизонов, 40 млн. вилорогих антилоп, не считая грызунов. Евразийские травяные кущи с аппетитом объедали десятки миллионов туров, диких лошадей и куланов, 10 млн. сайгаков, 5 млн. дзеренов, 20 млн. сурков, несчетные орды мелких грызунов и крупных степных птиц: дроф и стрепетов. Почему же подавляющая часть этих огромных стад исчезла с лика планеты? [3]

Распределите перечисленные виды животных на исчезнувшие по вине человека, находящиеся на грани исчезновения и спасенные человеком от вымирания: сайгак, дронт, кулан, лошадь Пржевальского, тарпан, бизон, зубр, стеллерова корова, белый медведь, индийский носорог, лось, синий кит, кашалот, калан, джейран, тур, странствующий голубь, бобр, соболь, слоновая черепаха, зебра-квагга, выхухоль, выдра, краснозобая казарка, журавль-стерх, гепард, дрофа, моа (гигантский страус). [3]

Слайд 21. Знания динамики численности популяций необходимы для учета последствий реакклиматизации и интродукции видов

Человек проводит преднамеренное вселение (интродукцию) видов в различные районы планеты. Многие виды попадают в новые для них районы «самостоятельно» как заносные. Пришельцы могут вытеснять местные виды, разрушая их популяции (например, американская норка вытесняет европейскую). Нередко вселенные виды оказываются в более выгодном положении, чем местные, так как в новых местообитаниях у них меньше конкурентов, паразитов или хищников. В таком выгодном положении оказался колорадский жук, занесенный в Европу, где у него практически нет врагов.

Выберите из списка названия животных, которые были на грани истребления, а затем спасены человеком и вновь обрели промысловое значение:

а) кабан;

б) лось;

в) зубр;

г) соболь;

д) речной европейский бобр;

е) каменная куница;

ж) лошадь Пржевальского;

з) горностай.

Назовите примеры, когда человек акклиматизировал виды на новых территориях, а это приводило к плачевным результатам. [3]

Мы назвали лишь часть областей человеческой деятельности, часть примеров из мира природы, которые доказывают необходимость регуляции численности популяций.

Слайд 22. Какие факторы, влияющие на численность, представлены на слайде? Как может расти численность? Какие кривые роста здесь представлены?

Слайд 23. Сейчас мы проверим свои знания в модельной игре «Рыбный день в королевстве»! [13]

Действующие лица: король Владислав I, казначей, рыбаки.

Правила игры:

В ведомости учета рыб найдите количество рыб: у каждого рыбака в пруду 25 карасей и 5 щук.

Рыбаки могут выловить сколько угодно рыбы в собственном пруду за один улов. Цель рыбаков: заработать как можно больше денег. С уловом они являются к главному рыбному смотрителю во дворец. Он проверит, как велся улов, т.е., правильно ли заполнена ведомость улова рыб.

Пример: в пруду было 6 щук и 30 карасей. Рыбак выловил 4 щуки и 15 карасей. Осталось 2 щуки и 15 карасей. Щуки размножились, их число удваивается: 2 х 2 = 4. Караси тоже размножились, их число утраивается: 15 х 3 = 45.

Выясняем с помощью таблицы изменения в пруду, вызванные уловом. Находим на пересечении 4 щук и 45 карасей цифры: 8\90. Значит, теперь в пруду 8 щук и 90 карасей. Но верхний предел численности для щук – 12 (здесь предел не достигнут, следовательно, записываем в графу «Динамика численности» 8 щук), но количество карасей - 90 – гораздо больше верхнего предела численности карасей – 65, следовательно, из-за болезней и нехватки корма численность карасей снизится до 40. Теперь к началу следующего лова в пруду находится 8 щук и 45 карасей…

Если расчеты в ведомости правильны, то казначей выдаст деньги: по 1 рублю за щуку и по 20 копеек за каждого карася.

Каждый последний четверг месяца устраивается рыбный бал в королевском дворце, требуются определенные рыбы. Вылов рыб производится каждый раз после оглашении указа короля.

Указы короля «Своя рука – владыка» (издаются королём по своему выбору):

Сегодня оплачивается тот улов, в котором больше всех рыб какого-либо вида;

В пруды выпускаю щурят, выплачу деньги тому, кто возьмет 5 и больше щурят;

В этот раз на балу могут быть только караси – оплата карасей во всех уловах;

На сегодня рыбы хватит – надоела. Рыба оплачиваться не будет;

Шеф-повар готовит фирменное блюдо «караси в сметане» - оплата всех карасей;

Шеф-повар готовит фирменное блюдо «щука под шубой» - оплата всех щук;

Шеф-повар готовит фирменное блюдо «рыба в кляре» - оплата всех рыб;

Во дворце будет устроен аквариум – оплата 2 щук и 10 карасей ( у 2 рыбаков, оказавшихся первыми);

Король решил сделать подарок королеве: ожерелье из зубов щуки – оплата всех щук;

Королева решила сшить платье, украшенное чешуей карася – оплата всех карасей;

Король предоставляет кредит тем рыбакам, у кого в пруду нет рыбы, чтобы они могли купить рыбу у других рыбаков;

Во дворце решили использовать рыб на корм приобретенным для королевского зоопарка бакланам и пеликанам – оплата всех рыб;

Король выдает денежную премию 3 рыбакам, в чьих прудах на данный момент больше всего рыбы;

Иногда король может дать тайком тем рыбакам, у кого в пруду мало рыбы, карточку «Браконьер» с указанием из чьего пруда, и в каком количестве они могут выловить рыбу.

По окончании игры учащиеся отражают на графике динамику численности карасей и щук. Делают выводы.

Высказывания учащихся о значимости всех условий

- Подкормка животных зимой;

- Устройство солонцов для крупных животных, порхалищ для глухаря…

Озвучивание выводов:

- Численность увеличили лось, медведь, волк, куница, лисица, рысь…

- Численность других животных колеблется…

- Например, МДУ для лося в 2016 г.: 2099: 43300 = 0,048 = 5%;

Для рыси: 23: 750 = 0,03 (3%)

- Для волка: 326: 579 = 0, 56 (56%)

Размышления учащихся

- Нет, т.к. МДУ не должна превышать 30%

Между человеком и травоядными животными существует конкуренция за землю как ресурс. Человек уничтожил степи и прерии, создав пастбища для домашних животных и поля для сельскохозяйственных культур. Степные виды, лишившись привычных местообитаний, либо вымерли, либо их численность значительно сократилась. Часть степных видов непосредственно уничтожена человеком.

- Исчезнувшие виды: дронт, тарпан, стеллерова корова, тур, странствующий голубь, зебра-квагга, моа;

- Виды, находящиеся на грани исчезновения: кулан, лошадь Пржевальского, белый медведь, индийский носорог, синий кит, калан, джейран, выхухоль, слоновая черепаха, гепард, дрофа, стерх, краснозобая казарка;

- Виды, спасенные от вымирания: сайгак, бизон, зубр, лось, кашалот, бобр, соболь, выдра.

- Лось, соболь, бобр.

- Кролики, лошади, ослы и верблюды в Австралии…

- Мангусты на Антильских островах…

- Козы на многих островах…

- Американская норка в Европе и др.

Учащиеся знакомятся с расчетами на примере в Ведомости учета рыб, слушают указы короля, отлавливают рыб

/data/files/e1518981079.pptx (Презентация Квест)/data/files/a1518981139.docx (Приложения для учащихся)/data/files/x1518981197.docx (Приложения для учителя)КУУД: умения изложения своего мнения, аргументации его

ПУУД: умения обобщения и формулирования выводов

ПУУД: анализ цифрового материала

ЛУУД: составление оценочных суждений

ПУУД: умения установления причинно-следственных связей

ЛУУД: умения составления оценочных суждений

ПУУД: умения конкретизации

КУУД: умения публичного мини-выступления

РУУД: рефлексия содержания материала

ПУУД: моделирование, работа с цифровым материалом, умения обобщения и формулирования выводов

ЛУУД: осознание личностного значения изучения темы

ПУУД: анализ графиков и информации

Слайд 24. Рефлексия

Сколько карасей и щук надо вылавливать из пруда?

Почему численность жертв выше, чем хищников?

Надо ли ловить щук, если король оплачивает только один вид рыб?

Считаете ли вы справедливой оплату щук – 1 рубль, карася – 20 копеек? Обоснуйте с точки зрения эколога.

Каким образом человек влияет на численность популяций?

Что такое «хищнический» лов рыбы?

Если бы выписали аннотацию к игре «Рыбный день в королевстве», то вы бы отметили….

- Не больше 30%...

Действует правило 10%...

- Обязательно, чтобы не нарушить равновесие «хищник-жертва»…

Щука – хищник, питается карасями, следовательно действует правило Линдемана (10%)…

Учащиеся называют «+» и «-« влияние

- Вылов рыбы больше квоты, вылов молоди, вылов браконьерскими орудиями и др.

Высказывания учащихся

РУУД: целеполагания, рефлексии

ЛУУД: осознание личностного значения изучения темы

Слайд 25. Д/з: Проанализируйте информацию, предложите метод борьбы с морской звездой «терновый венец»; [1]

Выполните анализ чрезмерного вылова рыбы и причин снижения морского промысла трески. [14]

Решите задачи [19]

Приложение № 6. Д/з