Цель урока
- Сформировать знания о динамике популяций как о необходимом атрибуте жизни организма, способе их адаптации к постоянно меняющимся условиям существования.
- Ознакомиться с характерными типами роста популяций как с общими свойствами, передающими их способность к восстановлению численности.
- Сформировать знания о характере колебаний численности популяций некоторых видов организмов
- Ознакомиться с явлением регуляции численности и значением этого явления.
- Закрепить понятия математического моделирования, и навыки работы с программой «Электронные таблицы; Excel».
Научиться прогнозировать развитие биологических популяций, используя компьютерное моделирование в электронных таблицах, и находить решение возникших проблем
Оборудование: ПК, мультимедиапроектор, экран, электронная презентация «Динамика популяций» (Приложение 1)
План урока
- Динамика популяций, как биологическое явление.
- Рост популяции. Типы роста.
- Колебания численности в популяциях.
- Способы регуляции численности популяций.
- Модели развития популяций.
- Математическое моделирование.
- Компьютерный эксперимент в электронных таблицах «Excel».
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Вводная беседа.
Презентация. Слайд 1.
Учитель информатики: 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.
Учитель биологии: Мы научим вас прогнозировать развитие биологических популяций, ведь данная проблема в настоящее время требует незамедлительного решения: только за последние годы с лица земли исчезло 65 видов птиц и 150 видов млекопитающих животных. Быть экологически образованным в наше время - это значит не только уметь предвидеть, к чему могут привести те или иные изменения в популяции, но и сделать все возможное, чтобы не допустить исчезновения или уменьшения численности любого вида.
Презентация. Слайд 2
Трудно представить современную биологию без использования компьютерных технологий: построение различных кривых выживания, вариационных рядов, графиков действия экологических факторов на организм и т.д. и т.п.
3. Изучение новой темы.
Презентация. Слайд 3.
Но наибольшее значение компьютерных технологий для биологии видна именно при изучении темы нашего сегодняшнего урока. Сегодня мы, как настоящие экологи, должны реально увидеть на графиках то, к чему могут привести наши действия, и почувствовать ответственность за будущее нашей планеты.
(Открываем тетради, записываем тему урока и план)
Тема урока: Динамика популяций
План урока
- Динамика популяций, как биологическое явление.
- Рост популяции. Типы роста.
- Колебания численности в популяциях.
- Способы регуляции численности популяций.
- Модели развития популяций.
- Математическое моделирование.
- Компьютерный эксперимент в электронных таблицах «Excel».
Презентация. Слайд 4.
Но, прежде чем мы приступим к рассмотрению 1-го вопроса, нам необходимо вспомнить некоторый теоретический материал.
1. Что такое популяция с экологической и эволюционной точки зрения?
- это группа одновидовых организмов, занимающих определенный участок территории внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций)
- элементарная эволюционная единица, она обладает собственной эволюционной судьбой.
- это единица вида и эволюции
Приведите примеры популяций? Презентация. Слайд 5. Стая волков, стадо слонов, лежбище котиков, лиственный или сосновый лес и т.д..
2. По каким популяционным или демографическим показателям мы можем охарактеризовать популяцию? (биомасса, плотность расселения, общая численность, скорость роста численности, продолжительность жизни, рождаемость, смертность, возрастной состав)
(Эти показатели применимы только для популяции, но не для отдельной особи)
3. Какое практическое значение имеют демографические показатели?
(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).
4. Какие условия влияют на численность популяции? (пищевые ресурсы, ограниченность ареала обитания, эпидемии, болезни, природные катастрофы и т.д.)
5. Что такое емкость среды? (способность территории вмещать определённое количество особей)
Крайне важно для рационального использования видов знание причин и скорости популяционных изменений, а также умение вести измерения природных показателей, ведь жизнь популяции проявляется в ее динамике, т. е. в изменении ее основных характеристик. Процессы изменений биологических показателей популяции называются динамикой популяций Динамика популяции – одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений. И это тема нашего урока.
Презентация. Слайд 6.
Цель урока
- Сформировать знания о динамике популяций как о необходимом атрибуте жизни организма, способе их адаптации к постоянно меняющимся условиям существования.
- Ознакомиться с характерными типами роста популяций как с общими свойствами, передающими их способность к восстановлению численности.
- Сформировать знания о характере колебаний численности популяций
- Ознакомиться с явлением регуляции численности и значением этого явления.
- Закрепить понятия математического моделирования, и навыки работы с программой «Электронные таблицы; Excel».
Цель урока: Научиться прогнозировать развитие биологических популяций, используя компьютерное моделирование в электронных таблицах, и находить решение возникших проблем для сохранения и увеличения численности вида
1-й вопрос. Динамика популяций, как биологическое явление.
Презентация. Слайд 7.
Приступаем к изучению 1 вопроса нашего плана :Динамика популяций, как биологическое явление. Что же такое динамика популяций?
- колебания или изменения численности популяций во времени;
- это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени – численности, биомассы, популяционной структуры (возрастного состава);
- одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений.
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.
Вывод: Популяция не может существовать без постоянных изменений, т.к. за счет них она приспосабливается к изменяющимся условиям среды. Динамика популяций – это необходимый атрибут жизни организма, способ адаптации к постоянно меняющимся условиям существования.
2-й вопрос. Рост популяции. Типы роста.
Презентация. Слайд 8.
Важнейшим процессом динамики популяций является рост численности – это 2 вопрос нашего плана. О свойствах динамики популяции в целом можно судить лишь по росту численности популяции. Рост численности популяций любого вида в природе происходит при освоении организмами новых мест обитания или после перенесенной катастрофы и никогда не бывает бесконечным. Рано или поздно популяция сталкивается с ограничениями, не позволяющими ей наращивать далее своё обилие. Ресурсы, за счёт которых существуют виды – пища, убежища, подходящие места для размножения и т.п., на любой территории имеют пределы. В природных условиях численность популяций обычно колеблется вокруг определённого уровня, соответствующего ёмкости среды.
Презентация. Слайд 9.
Характер роста бывает различным:
Рост численности в геометрической прогрессии или теоретический рост (неограниченный рост). Пунктирной линией изображён теоретический рост популяции. По графику видно, что численность популяции растёт безгранично. Такой рост реально наблюдается, когда популяция растет в условиях избытка ресурсов (пищи, места для размножения) и не испытывает воздействия неблагоприятных факторов. Н., рост лабораторной популяции дрожжей или бактерий на начальной фазе их роста. В природе рост в геометрической прогрессии наблюдается, например, при вспышке сибирского шелкопряда после малоснежных и морозных зим (при этом гибнут паразиты- яйцееды, которые поражают до 20% яиц шелкопряда). Или, рост численности популяции, вселенных в новую местность, где у них много пищи и мало врагов. Пример? (кролики в Австралии, амброзия у нас и т. д.)
Неограниченный рост численности популяции губителен для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. Поэтому следующий тип роста популяции – это практический рост или рост численности при ограниченных ресурсах (ограниченный рост). На графиках – это сплошная кривая, отображающая рост популяции в природе при ограниченных ресурсах. Какие примеры ограничивающих факторов вы можете привести? (изменение климата, антропогенный фактор, увеличение численности паразитов или хищников, массовые заболевания и т. д.). Что же происходит в популяции при ее увеличении? По мере увеличения численности популяции , рост численности замедляется, т.к. условия для роста и размножения становятся менее благоприятными. Н., животным не хватает пищи, растения затеняют друг друга, в пробирке с микробами накапливаются продукты обмена, замедляющих темп деления клеток. Таким образом, многие ресурсы становятся ограниченными и при этом рост численности сначала снижается и перестает расти, а потом численность популяции колеблется возле некоторого среднего уровня (см. рис. 1,2)
Вывод: рост численности популяций – это способность популяции к восстановлению численности после перенесенной катастрофы или при заселении новых мест обитания.
3-й вопрос. Колебания численности в популяциях.
Презентация. Слайд 10.
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.
У многих видов животных и растений колебания численности популяций бывают вызваны сезонными изменениями условий жизни (температуры, влажности. освещенности, пищевой обеспеченности и др.). Примерами сезонных колебаний численности популяций являются тучи комаров и обилие птиц в лесах в летний период, отсутствие таковых зимой. Связано это с сезонными нехватками тех или иных факторов (пищи, тепла, света).
Вывод: численность популяций не застывает на одном уровне, а постоянно колеблется, и причинами резких колебаний могут быть различные абиотические и биотические факторы.
4-й вопрос. Способы регуляции численности популяций.
Презентация. Слайд 11.
- Итак, рост численности популяций никогда не бывает бесконечным. Почему?
А потому, что безграничный рост губителен для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. При увеличении численности популяции включаются регуляторные системы природного сообщества – хищники, паразиты, возбудители инфекционных заболеваний. При еще более высокой плотности вступает в силу внутривидовая конкуренция. Вся эволюция видов шла в таком направлении, что выработались механизмы реакции на собственную плотность. Таким образом, 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. Таким образом, регуляция численности – это способность популяции к самовосстановлению числа особей до своей обычной величины. Эта способность обеспечивается системой механизмов, которые как бы автоматически срабатывают, когда плотность популяции достигает или слишком высоких, или слишком низких значений.
Существует несколько способов регуляции численности популяций:
1. Уменьшение плодовитости. При росте популяции снижается обеспеченность пищей, а у многих животных от потребления пищи зависит плодовитость: при увеличении численности плодовитость падает, и это предотвращает дальнейший рост популяции
2. Конкуренция («самоизреживание»). Это пример внутривидовых взаимодействий у растений. Молодые растения могут существовать при высокой плотности, не погибая. Но по мере роста у деревьев увеличиваются размеры кроны, усиливается взаимное затенение, начинает не хватать воды. В результате часть деревьев погибает, происходит «самоизреживание».
3. Распространение заболеваний. С ростом численности популяции вероятность передачи инфекций возрастает, часто возникают массовые заболевания, и смертность от них приводит к падению численности.
4. Поведенческие факторы. Они играют важную роль в регуляции плотности популяций у животных. Н., в популяциях многих грызунов, при высокой плотности, когда особи слишком часто встречаются друг с другом, у них нарастает агрессивность и возникают гормональные расстройства и у самок происходит рассасывание эмбрионов, численность перестает нарастать, что предотвращает перенаселение. Зайцы-беляки в период пика численности часто внезапно погибают от «шоковой болезни». У некоторых видов рыб при высоком обилии особей взрослые переходят на питание своей молодью, в результате чего численность популяции начинает снижаться.
Регуляция популяционных изменений – очень сложный процесс и взаимодействие разных популяций никогда не бывает односторонним: н., популяция хищника не только влияет на популяцию жертвы, но и сама испытывает ее влияние. Выстраивая графики, мы обратим на это внимание.
Вывод: Все эти способы регуляции объединяет то, что сигнал к их действию дает сама популяция, точнее ее плотность.
5-й вопрос. Модели развития популяций.
Презентация. Слайды 12-13.
В биологии при исследовании развития биосистем строятся информационные модели изменения численности различных живых существ (бактерий, рыб, животных и пр.) с учётом различных факторов.
- модель неограниченного роста (теоретическая);
- модель ограниченного роста (практическая);
- модель ограниченного роста с отловом;
- модель «хищник – жертва» (взаимодействия с другими популяциями).
Взаимовлияние популяций друг на друга рассматривается в моделях типа «хищник – жертва». Демографические показатели имеют математическое выражение. Данные модели развития популяций можно изобразить с помощью компьютера, это вы и будете делать далее с учителем информатики.
6-й вопрос. Математическое моделирование.
Презентация. Слайды 14-21.
Учитель информатики:
4. Закрепление новой темы
7-й вопрос. Компьютерный эксперимент в электронных таблицах «Excel».
Решение задач на закрепление материала.
Как влияет увеличение отстрела волков на численность популяции зайцев?
А) Через сколько лет численность волков восстановится?
Решение: для решения воспользуемся графиком ограниченный рост с отловом. На его изменение влияет коэффициент с. Исходное значение 0,3 изменяем до 0,4.
Ответ: через 11 лет.
Б) Что произойдет, если коэффициент с увеличить до 0.5.
Ответ: примерно через 20 лет популяция погибнет.
Через сколько лет численность амурского тигра увеличится в 2 раза, если учитывать, что нет отстрела и достаточное количество пищи (жертв)?
Решение: для решения воспользуемся графиком (хищники-жертвы), видно: на 2 хищника приходится 8 жертв, для этого по обоим графикам проводим перпендикуляр. Вводим данные хищников – 1, а жертв – 4 и видим, что хищников стало в 2 раза больше (два вместо одного) через 5 лет.
Через сколько лет численность достигнет максимального количества?
Ответ: через 13 лет.
Определите по графику ограниченный рост с отловом, через сколько лет отлов на численность популяции влиять не будет?
Ответ: через 15 лет.
На численность популяции при ограниченном росте влияет коэффициент роста а и коэффициент перенаселенности. Спрогнозируйте, что произойдет с популяцией при увеличении роста численности жертв в 2 раза.
Решение: вводим количество жертв равное 2.
Ответ: через 8 лет численность достигнет пика, а еще через два года начнет снижаться.
Презентация. Слайд 22.
Учитель биологии Современные представления о динамике популяций, построение и работа с моделями развития популяций дают возможность предсказывать изменение численности отдельных видов, а также усиливать или ослаблять регуляторные связи в управлении их численностью. Обязательным условием для этого является глубокая изученность экологических связей конкретных популяций.
??? Как Вы думаете, люди, каких профессий могут использовать подобные модели в своей профессиональной деятельности? (Егерь; эколог; лесник; работники сельского хозяйства - животноводство, растениеводство, работники рыбодобывающей отрасли и др.)
??? Возможно ли применение биологических моделей развития популяций в повседневной жизни и народном хозяйстве? (Да, для сохранения редких и исчезающих видов, для повышения урожайности культурных растений и увеличения численности животных, для борьбы с сорняками и вредителями, для поддержания биологического равновесия в аквариуме и т.д.)
В последнее время человек всё больше и больше вмешивается в природные процессы. Исследуя модели развития популяций, можно сохранить видовое разнообразие растений и животных, чтобы не пришлось заносить их в Красную книгу
Список используемых источников:
- Каменский А.А, Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Биология. Общая биология. 10-11 класс» – М.: Дрофа, 2006
- Методическое пособие Каменского А.А, Криксунова Е.А., Пасечника В.В «Тематическое планирование уроков биологии к учебнику «Биология. Общая биология. 10-11 класс»
- Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Экология. 10-11 класс» - М.: Дрофа, 2006
- Общая биология. Учебник для 10-11 кл. с углубленным изучением биологии. Под редакцией А.О. Рувинского. – М.: Просвещение, 1993
- http://www.rusedu.info/Article541.html