Geum.ru

Експериментальні програми спецкурсів та факультативів з біології

Вид материалаДиплом

Содержание


Визначення кислотності та текстури грунту.
Просторова структура популяції.
Екологічна структура популяції –
Чисельність популяції –
Щільність популяцій –
Співвідношення статей –
Народжуваність (плодючість) –
Сезонний поліморфізм –
Статевий поліморфізм –
Закон Харді – Вайнберга
Потік енергії та матерії через популяцію
Класифікація біоценозів
Єдність біотопу і біоценозу
Організація біоценозу
Автономія біоценозу
Екологічна рівновага
Екологічна сукцесія
Просторову структуру
Вертикальна структура біоценозу (ярусність) –
Динаміка біоценозів.
...
Полное содержание
Подобный материал:
1   2   3   4

Лабораторна робота 1:

Визначення кислотності та текстури грунту.

Дослід 1. Визначення текстури ґрунту (приблизного співвідношення твердих частинок у ґрунті).

Матеріали та обладнання: мірний циліндр (500мл), зразок ґрунту (100см3), вода (300мл).

Методика:1. Зразок ґрунту поміщають у мірний циліндр.

2. Ґрунт у циліндрі повністю заливають водою.

3. Вміст циліндра струшують.

4. Суміші дають відстоятися (20 хв).

5. Вимірюють об’єм різних фракцій зразка ґрунту (частки органічної речовини будуть плавати на поверхні, частки глини частково залишаться у завислому стані, нижче осядуть частки піску та каміння відповідно до своїх розмірів).

Завдання: Зробіть висновки про текстуру ґрунту.


ІІІ. Популяційна екологія (демекологія)

Популяція – це сукупність особин одного виду, які відтворюють себе протягом великої кількості поколінь і тривалий час займають певну територію, функціонуючи і розвиваючись в одному або в ряді біоценозів. Популяція – елементарна еволюційна одиниця, еволюційними ознаками якої є щільність, розподіл особин за віком і статтю, характер розміщення в межах екосистеми чи угруповання та ін. В біоценозах популяція може мати становище ценопопуляції (сукупність особин одного виду в межах угруповання), поліценотичної популяції (популяції тварин, які переходять з одного виду в інший), інвазійної популяції (популяції, що нападають на популяції інших видів: сарана, грибкові захворювання, епідемії).

На стан та існування популяцій значною мірою впливають не лише ті явища, які відбуваються всередині самої популяції, але і в сусідніх популяціях (В. М. Беклемішев). Кожна популяція виконує певну функцію в біоценозі. За нерівноцінністю популяції, що входять до складу біоценозу поділяються на:
  1. Незалежні – мають достатній потенціал народжуваності, що дає їй можливість поповнювати втрати чисельності та існувати без міграції особин ззовні.
  2. Напівзалежні – може існувати лише завдяки розмноженню власних особин в умовах низької чисельності. Іміграція особин ззовні відчутно впливає на наслідки заселення.
  3. Залежні – популяції у яких народжуваність не покриває втрат чисельності. Така популяція не може існувати без імміграції особин ззовні.
  4. Псевдопопуляції – це групи особин якихось популяцій, які не мають можливості розмножуватись в одному місці. Такі популяції утворюються завдяки міграції особин із сусідніх угруповань і можуть існувати досить довго (популяції стеногалінних організмів, що чутливі до концентрації солей у водному середовищі).
  5. Періодичні – з’являються у незаселених біотопах, їх існування пов’язане з періодичним виникненням сприятливих умов середовища.
  6. Геміпопуляції – напівпопуляції в яких виразно виступає відмінність життєвих вимог у різних формах життєвого циклу, а окремі постаті посідають різне місце в природі (личинки комара живуть у водоймі, а дорослі особини – в лузі).

Існує концепція ієрархії популяцій залежно від розмірів територій, які вони займають (М. П. Наумов):
  1. Елементарна (локальна) популяція – сукупність особин виду, які населяють невелику ділянку однорідної площі. Кількість таких популяцій пропорційна різноманіттю умов біогеоценозу.
  2. Екологічна популяція – сукупність елементарних популяцій, тобто видові угруповання, приурочені до конкретних біогеоценозів (грабових бучин, дубово – грабових субучин).
  3. Географічна популяція – сукупність груп особин попереднього рангу, які заселяють значну територію з географічно однорідними умовами середовища. У зв’язку з цим у такій популяції спостерігається єдиний ритм життєвих явищ та інші функціональні особливості, що створюють морфо–фізіологічний тип, який відрізняє дану популяцію від сусідніх, котрі перебувають у інших географічних умовах (генотип бука: рахівський, розточанський, кам’янець – подільський).

Просторова структура популяції. Кожна популяція займає певну територію суші або акваторії, розміри якої залежать від багатьох чинників: умов існування виду, кількості особин у популяції, маси особин тощо. У рослинних угрупованнях просторова структура популяцій виявляється через характерне розміщення особин даного виду:

Екологічна структура популяції – це її стан на даний момент часу. Виділяють два підходи до вивчення структури популяцій: описовий (морфо – фізіологічний) та функціональний. Перший полягає у вивченні та порівнянні між собою різних локальних популяцій, виділенні особин за статтю, віком, морфофункціональними ознаками.. Другий підхід охоплює ті елементи функціональної структури, які відіграють визначну роль у перебігу популяційних процесів, зокрема, таких, як зміна чисельності особин чи статей.

Чисельність популяції – загальна кількість особин на даній території або в даному об’ємі (води, грунту, повітря), які належать до однієї популяції. Коливання чисельності популяцій бувають неперіодичні (такі, що рідко спостерігаються) і періодичні (постійні).

Щільність популяцій – середня кількість особин на одиниці площі чи об’єму. Середня щільність – це кількість особин, або біомаса на одиницю всього простору. Екологічна щільність - це кількість особин, або біомаса на одиницю заселеності простору, тобто доступної площі чи об’єму, які фактично можуть бути зайняті популяцією. При збільшенні чисельності щільність популяції не росте лише у випадку розширення ареалу.

Співвідношення статей – це відношення кількості самців до кількості самок або кількості самців до загальної кількості самок і самців. Співвідношення статей - стосується лише різностатевих організмів. У деяких популяціях існують одностатеві структури. Одностатеві популяції складаються лише з жіночих особин, розмноження у них часто партеногенетичне (бджоли, тлі, коловертки, багато спорових та насінних рослин). Чоловічі особини у таких популяціях існують тільки протягом певного періоду часу (у рослин протягом певного часу існує чоловічий гаметофіт). У природі поширені двостатеві популяції. У тваринному світі переважають двостатеві види, які зрідка трапляються і в рослин.

Віковий розподіл – це співвідношення чисельності особин різних вікових груп і поколінь. Такі популяції називаються поліциклічними (деревовидні рослини, багаторічні трави, хребетні та безхребетні тварини, життя яких триває понад один рік). Моноциклічні популяції складаються з особин одного віку (однорічні рослини, комахи).

Народжуваність (плодючість) – здатність популяції до збільшення своєї чисельності, яка визначається числом нових особин, що з’явилися за одиницю часу в результаті розмноження.

Потенційні можливості щодо розмноження у деяких організмів дуже великі: у головці маку може бути до одного мільйона насінин, матка термітів відкладає одне яйце на секунду протягом всього життя, риба тріска відкладає до чотирьох мільйонів ікринок на рік. У природі не можлива реалізація цих потенційних можливостей (переважна більшість насіння та ікри гине) інакше ці живі організми швидко заполонили б великі території.

Обмежуючими факторами швидкого росту популяцій можуть бути запаси їжі на даній території, конкуренція з популяціями, що займають близькі екологічні ніші, чисельність популяцій хижаків.

За сприятливих умов спочатку спостерігається швидкий ріст чисельності популяції, потім чисельність особин поступово стабілізується і, якщо умови не змінюються, залишається приблизно однаковою. З погіршенням умов існування чисельність популяції зменшується.

Смертність – характеризує загибель особин у популяції за одиницю часу. Якщо уявити, що популяція не піддається лімітуючим впливам, тоді теоретично можна охарактеризувати загибель особин показником мінімальної смертності. Це постійна величина для кожної популяції.

Поліморфізм – це існування в межах одного виду рослин або тварин двох (диморфізм) або більше груп особин з різко відмінними ознаками. Розрізняють сезонний, статевий та віковий поліморфізм.

Сезонний поліморфізм – відмінність особин різних поколінь, що розвивається в різні пори року ( літня і зимова форма дуба, літнє і зимове забарвлення зайця – русака).

Статевий поліморфізм – відмінність між особинами різних статей (у бджіл – робочі бджоли, матки, трутні; у термітів – матки, робітники , солдати.

Віковий поліморфізм – наприклад, у комах яйце–личинка–доросла особина.

Генетика популяцій – вивчає генетичну структуру природних популяцій, а також генетичні процеси, які в них відбуваються. Завдяки генетиці популяцій встановлено, що популяція є не лише одиницею виду, але й еволюції.

Закон Харді – Вайнберга: у численній популяції, особини якої вільно схрещуються між собою (панміксія) і відсутній вплив будь-якого зовнішнього фактора, на певні поєднання алелей, не виникають нові мутації, не відбувається обміну генетичною інформацією з іншими популяціями внаслідок міграції особин з популяції в популяцію, співвідношення алелей стабілізується протягом кількох поколінь і залишається сталим тривалий час.

Англієць Г. Харді та німець В.Вайнберг запропонували формулу, яка описує розподіл частот у панміктичній популяції по одній парі алельних генів (А – а) Це найпростіша модель, що слугує для складніших популяційно – генетичних досліджень.

р2АА + 2рqАа + q2аа = 1,

або (рА + qа)2 = 1

р – частота зустрічальності алелі А;

q – частота зустрічальності алелі а.

Якщо конкуруючі організми належать до одного виду, то взаємовідносини між ними називають внутрішньовидовою конкуренцією.

Якщо конкуренція полягає у тому, що всі особини одночасно експлуатують ресурси, але кожна з них використовує те, що залишилося від конкурента, таку форму внутрішньовидової конкуренції називають жорсткою. Наприклад, коли щільність особин зеленої падальної мухи досягає певної величини, популяція гине.

Якщо одна особина не дає іншій зайняти існуюче місцезростання, така форма внутрішньовидової конкуренції називається суперництвом. Суперництво можна проілюструвати на прикладі закладки гнізд: на 100 дупел претендує 200 пар дуплогніздних птахів. Отже, 100 пар птахів не зможуть влаштувати гнізд і не дадуть потомства. Важливим тут є поняття екологічної ніші, яка являє собою не лише певні умови середовища, але й спосіб життя й спосіб добування їжі.

Міжвидова конкуренція буває: 1) недосконала, коли конкуренція є лімітуючим фактором, але не веде до повного усунення одного з видів з арени конкуренції;

2) наддосконала, коли ефект подавлення дуже сильний і проявляється негайно, наприклад, виділення антибіотиків;

3) досконала, коли один вид поступово елімінується у боротьбі за природні ресурси.

Модель міжвидової конкуренції для хижака та жертви була створена в 20–х роках Лоткою і Вольтерра (модель Лотки – Вольтерра). Зрозуміло, що хижаки знищують жертв зі швидкістю, що визначається частотою зустрічей особин хижака та жертви, а частота зустрічей зростає в міру збільшення чисельності хижака (С) і жертви (N). Проте, точна кількість зустрінутих і з’їдених жертв буде залежати від ефективності, з якою хижак знаходить і ловить жертву, тобто від а – “ефективності пошуку” або “частоти нападів”. Отже, швидкість поїдання жертви буде рівне а  С  N, або dN /dt = rN

Потік енергії та матерії через популяцію називають біологічною продукцією популяції. Для того, щоб створити нову продукцію – матерію, необхідний корм. Частина засвоєної продукції йде на побудову тіла особини, яке називають біомасою. Наявна в кормі енергія використовується на життєві процеси особини: пересування, втеча, погоня, пережовування корму, а також розсіюється у вигляді теплової, хімічної, світлової, електричної енергії. Оскільки всі організми беруть енергію з окисленої органічної субстанції (вуглецю), її мірилом є інтенсивність дихання особин.

Збільшення особин у популяції є її продуктивністю, вираженою в особинах. Кожна особина має свою масу, отже, сумарна маса особин популяції являє собою біомасу популяції, що виражається в одиницях маси (тонах, кілограмах). У звичайних умовах загальну продукцію популяції (Р) можна зобразити приростом біомаси В і елімінацією або відпадом (Е): Р = В + Е

Життя популяції в даному середовищі (демоцен) часто існує тривалий період. Явища, що розвиваються в межах демоцену, пов’язані з трьома головними цілями еволюційної теорії популяції: 1) забезпечення тривалості існування популяції в часі; 2) здобуття переваги над конкурентами; 3) опанування внутрішніх і зовнішніх сил, які загрожують популяції знищенням. Ці цілі реалізуються шляхом встановлення гомеостазу популяції.

Вид з’являється тоді, коли особини залишають після себе нове покоління собі подібних. Вид визначається за кількома критеріями: морфологічним, географічним, генетичним, екологічним.

ІV. Біоценологія (синекологія)

Екосистема – це сукупність живих організмів і неживого середовища, які функціонують разом, як система.

Біоценоз – це сукупність рослин, тварин і мікроорганізмів, що населяють дану ділянку суші або водоймища і характеризуються певними стосунками між собою та пристосованістю до умов навколишнього середовища.

Біогеоценоз – це сукупність рослинності, тваринного світу, мікроорганізмів і певної ділянки земної поверхні, які пов’язані між собою обміном речовин та енергії.

Терміни “біогеоценоз” та “екосистема” можна вважати синонімами лише у тому випадку, якщо вони розглядаються як біоценоз, який займає певну ділянку земної поверхні з подібними атмосферними, літосферними, гідросферними та педосферними умовами і характеризується однорідністю взаємозв’язків і взаємовпливів всередині біоценозу, наявності в цьому комплексі живої та неживої природи, кругообігу речовин та енергії.

Класифікація біоценозів:
  1. Географічний (середовищний) підхід до класифікації полягає у розподілі біоценозів за фізико – географічними зонами, що відрізняються за кількістю променистої енергії та опадів.
  2. Історико – періодичний підхід – дозволяє виділити біоценози за періодом їх існування на Землі. Найбільш тривалий період існування мають океанічні біоценози (кілька мільйонів років). Найстаріші з прісних озер і лісів існують з третинного періоду (озеро Байкал, тропічні та субтропічні ліси). Вік суходільних і прісноводних біоценозів є значно коротшим.
  3. Струтурно – фізіономічний підхід – витікає з характерної будови рослинного покриву та особливостей представників тваринного світу: тропічні ліси з мавпами, африканські савани з жирафами, американські прерії з бізонами, тундра з оленями і т.д.
  4. Екосистемний підхід – за розмірами розрізняють мікроекосистеми (наприклад, стовбур мертвого дерева), мезоекосистеми (ліс або став), макроекосистеми (океан).
  5. Функціональний підхід – вивчений слабо. Складність вивчення полягає у міграційній нестабільності гетеротрофів, що ускладнює визначення обсягу кругообігу матерії.

П. Троян виділив п’ять основних властивостей біоценозу:
  1. Єдність біотопу і біоценозу. Всі біотичні та абіотичні компоненти, що входять до складу біогеоценозу, пов’язані між собою таким чином, що явища, які виникають в одних елементах системи, впливають на процеси і стани в інших її складових. Біотоп впливає на біоценоз, який в свою чергу діє на стан біотопу.
  2. Організація біоценозу. Види, що входять до складу біоценозу пов’язані між собою біоценотичними залежностями, внаслідок яких утворюється специфічна організаційна структура, що спирається на багатосторонні зв’язки між окремими компонентами, зокрема на кормові та конкурентні (продуценти, консументи, автотрофи, гетеротрофи, редуценти).
  3. Автономія біоценозу. Територіальна відокремленість, внутрішня організація, взаємозв’язок і взаємозалежність усіх компонентів творять автономію біогеноценозу та його біоценозу.
  4. Екологічна рівновага. Біогеоценоз, як природна система перебуває в стані динамічної рівноваги. В процесі еволюції природній комплекс адаптувався до умов навколишнього середовища і вивести його з цієї рівноваги можуть лише якісь зовнішні чи внутрішні фактори.
  5. Екологічна сукцесія. Процес збільшення ступеня інтеграції складових компонентів і максимальне пристосування біологічного комплексу до умов середовища, що являє собою прогрес у напрямку зростаючої стабілізації системи називається екологічною сукцесією.

Просторову структуру біоценозів можна розглядати в декількох різних аспектах: поверховість чи ярусність, розмежування біоценозів (шари водних екосистем; перехідна зона біоценозів суші (екотон)).

Вертикальна структура біоценозу (ярусність) – зумовлена різними умовами освітлюваності, які зумовлюють одночасно і ефективність утворення первинної продукції біоценозу. Для водних біоценозів кількість фотосинтетичної енергії є первинним фактором розшарування товщі води. Товщина шару води, у якому світло є в кількості, що не перевищує компенсаційну точку фотосинтезу рослин, становить приблизно 80 метрів. Градієнт проникнення сонячних променів у біоценози суші має вторинний характер і залежить від розвитку рослинності і особливо проявляється у лісових біоценозах. Тут налічується чотири основних яруси:
  1. ярус крон (крони дорослих дерев);
  2. чагарниковий, підлісковий ярус (чагарники, кущі, молоді дерева);
  3. трав’яний ярус (однорічні та багаторічні трави);
  4. приземний ярус (мохи, лишайники, шапкові гриби).

Горизонтальна структура (мозаїчність) біоценозу пов’язана передусім з різноманітністю підстилаючої поверхні: сухіша чи вологіша, родючіша чи пісніша, потужний чи малопотужний шар грунту. Мозаїчність біоценозу розвивається вторинно, оскільки передусім дане місцезростання повинні зайняти рослини. Характерною особливістю горизонтальної структури біоценозів є перехідні смуги від одного до іншого фітоценозу, або екотони. Тут представлені види обох сусідніх біоценозів, проте в екотонах трапляються види не представлені ні в одному, ні в іншому біоценозі. Типовим для екотону є явище стику. Воно полягає у збільшенні чисельності популяції у екотоні, порівняно з обома сусідніми біоценозами (наприклад узлісся).

З одного боку охарактеризувати видовий склад біоценозу не складно: перелічити види, скласти їх список, і ати оцінку видового багатства. З іншого боку, трудність полягає в тому, що не всі ділянки обстежуваного нами угруповання мають однакові кількісні показники видового складу. Кількість встановлених видів буде залежати від кількості пробних ділянок, їх розмірів, пори року, інших факторів. Найпростішим для визначеня є індикс різноманітності (Уіттекер, 1980 рік):

D = S / lgA або D = S / lgN, де

D – індекс різноманітності; S – кількість видів в описі на площадці стандартного розміру; А – площа облікової площадки, м2; N – загальна кількість особин в описі.

Просторово обмежене угруповання, яке утворює перехід між двома іншими чітко відмінними між собою угрупованнями називають екотоном. Типові екотони (узлісся) багаті на види, оскільки можуть містити і види обох основних угруповань і види, властиві самому екотону.

Часто серії угруповань переходять одна в одну майже не перериваючись. Таке градієнтне угруповання, що спостерігається і в просторі і в часі називають екокліном, а безперервне заміщення одних видів рослин іншими вздовж градієнта місцезростання – континуумом рослинності.

Вплив особин одного виду на особини іншого виду (внутрішньовидові взаємовідносини) може бути нульовим, сприятливим або несприятливим:

Нейтралізм – обидва види незалежні один від одного і не впливають один на одного (у лісі лось і білка).

Конкуренція – це взаємодія, коли один організм споживає ресурс, який міг би бути доступним для іншого організму.

Мутуалізм – це можливість життя кожного з видів лише в присутності іншого (взаємовигідне співжиття).

Протокооперація – угруповання, утворене двома видами, що дозволяє обидвом видам краще пристосуватись до певних умов середовища (спільне життя крячків і чапель, що дає їм можливість краще захищатись від ворогів).

Коменсалізм – взаємозв’язок при якому один вид (коменсал) одержує користь від співжиття з іншим видом, а останній користі від співжиття не має.

Аменсалізм – один вид (аменсал) відчуває на собі пригнічення росту та розмноження, а інший вид (інгібітор) таких незручностей не відчуває. Конкретним і найпоширенішим випадком аменсалізму є алелопатія, що полягає у гальмуванні росту одного виду (аменсала) продуктами виділення іншого виду (інгібітора). Наприклад нечуй-вітер здатний витісняти інші рослини та утворювати зарості на великих площах.

Хижацтво – один вид (хижак) живиться живою органічною речовиною іншого виду (жертва), вбиваючи його.

Паразитизм – один вид (паразит) живиться живою органічною речовиною іншого виду (хазяїна), не вбиваючи його або вбиваючи поступово, протягом певного часу. У реальних природних умовах різниця між хижаком і паразитом не завжди чітко виражена, оскільки існують перехідні форми, яких важко віднести до однієї чи іншої категорії. Наприклад, деякі паразитичні види комах щадять до певного часу життєво важливі органи господаря, а під кінець свого розвитку, або масово розмножившись, з’їдають його.

Як хижаки так і паразити можуть існувати за рахунок одного, або декількох видів, тому серед них розрізняють:
  1. поліфаги – види, що споживають велику кількість найрізноманітніших інших видів (хижі ссавці);
  2. олігофаги – види, що живуть за рахунок окремих, часто близьких видів (колорадський жук);
  3. монофаги – види, які живуть за рахунок лише одного господаря (паразитуючі комахи: яблунева плодожерка, грушевий цвітоїд).

Динаміка біоценозів. Біоценоз перебуває у постійному розвитку. Процесові розвитку можуть сприяти або шкодити певні внутрішні та зовнішні фактори. Характерні типи цих змін, що відбуваються у біоценозі, такі: 1) сезонні, 2) різнорічні, 3) випадкові зміни (сукцесії), 4) загальні зміни, 5) еволюція ценозів.

В.М. Сукачов виділив чотири види сукцесій:
  1. Сингенетичні (автогенетичні) – процес заселення рослинами нових місцезростань: кар’єрів, насипів, звалищ, річкових заносів. Головну роль у цих сукцесіях відіграють підбір і взаємодія рослин, що заселили незайману територію, а також грунтово – кліматичні умови.
  2. Ендогенетичні – вторинні сукцесії, що виникають тоді, коли рослинність частково або повністю знищена, але у залишився ґрунтовий шар, у якому є насіння, спори або органи вегетативного розмноження рослин. Вони відбуваються слідом за сингенетичними сукцесіями вже після того, як піонерне угруповання створило певне середовище.
  3. Екзогенетичні – зумовлені причинами, які перебувають за межами даного угруповання і залежать від зовнішніх геофізикохімічних факторів. До них також відносяться зміни, спричинені діяльністю людини (пожежі, вирубки, випас).
  4. Гологенетичні – виникають внаслідок зміни всього фізико-географічного середовища або його окремих частин – атмосфери, гіліосфери, літосфери. Наприклад, зміна фітоценозів під під впливом глобальних змін клімату.
  5. Деградаційні – відбуваються при послідовному використанні різних видів ресурсів, які розкладаються. Наприклад, колонії грибів, що поселяються на опалій сосновій хвої.

Ланцюгом живлення – називають ряд живих організмів, у якому одні організми поїдають попередників у ланцюгу і, у свою чергу, здаються тими, хто іде за ними.

Ланцюги живлення – або канали живлення, якими постійно перебігає енергія, прямо чи опосередковано об’єднують всі організми в єдиний комплекс.

Перший трофічний рівень кожного ланцюга живлення представлений продуцентами (автотрофами), які здатні утворювати багаті на енергію органічні сполуки, використовуючи сонячну енергію.

Другий трофічний рівень утворюють травоїдні тварини – консументи І порядку, що використовують готову органічну речовину продуцентів.

Третій трофічний рівень утворюють м’ясоїдні тварини, які живляться травоїдними - консументи ІІ порядку.

Четвертий рівень утворюють тварини, що споживають хижаків (паразити) - консументи ІІІ порядку.

Останній рівень ланцюгів живлення утворюють деструктори (редуценти) – організми, що остаточно розкладають органічну речовину на неорганічну, використовуючи при цьому всю залишкову енергію.

Кількість ланок у ланцюгах живлення рідко перевищує п’ять завдяки великим втратам енергії у кожній ланці. Ланцюг живлення можна уявити у вигляді екологічної піраміди (Одум Ю. 1975р.):


А. Піраміда чисел
Хлопчик 1






Телята 4,5



Люцерна 2  107


Б. Піраміда маси
Хлопчик 48 кг






Телята 1035 кг



Люцерна 8211 кг


В. Піраміда енергії
Хлопчик 34,7 кДж






Телята 4,89  103 кДж






Люцерна 6,24  104 кДж



Використана сонячна енергія 2,6  107 кДж