МУ Экология

ФГБОУ ВПО «Курганская государственная сельскохозяйственная академия
имени Т.С.Мальцева»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭКОЛОГИЯ» ПО
НАПРАВЛЕНИЮ
05.06.01 НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Лесниково - 2014
1
УДК 378.126(07)
Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине
«Экология» по направлению 05.06.01 Науки о земле / С.Н. Кошелев – Курган:
Изд-во Курганская ГСХА, 2014. – 26 с.
Методические указания предназначены для аспирантов по
направлению подготовки 05.06.01 Науки о земле и позволяют сформировать
у аспирантов целостное представление об истории и методологии экологии,
как особой науке, изучающей условия существования живых организмов,
взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании
методического совета академии «18» апреля 2014 г. (протокол №4)
Рецензент:
Миколайчик И.Н., доктор с.-х. наук, декан факультета биотехнологии,
профессор кафедры технологии хранения и переработки продуктов
животноводства ФГБОУ ВПО «Курганская ГСХА»
© ФГБОУ ВПО «Курганская
государственная сельскохозяйственная
академия имени Т.С. Мальцева, 2014
2
Содержание
Введение
1. Глобальные и Государственные экологические проблемы на
современном этапе.
Экология - теоретическая основа охраны природы. Система
экологического мониторинга.
2. Понятие об экологических факторах
3. Популяция, их свойства
4
Экологические
основы
рационального
использования
биологических ресурсов Искусственные экосистемы. Агроценозы,
их особенности как неустойчивых экологических систем.
Экологизация
сельскохозяйственного
производства
и
промышленности
5.Охрана природных ресурсов – сохранение жизни человека на
земле.Охрана природы, как наука. Влияние деятельности человека
на природу в различные исторические эпохи.
Рекомендуемая литература
4
5
8
14
17
20
25
3
Введение. Рациональное использование природных ресурсов и охрана
окружающей среды - одна из важнейших проблем современного общества в
эпоху развития научно-технического прогресса, сопровождающегося
активным воздействием на природу.
Природные условия – совокупность объектов, явлений и факторов
природной среды, имеющих существенное значение для материальнопроизводственной деятельности человека, но непосредственно в нее не
вовлекаемые (например, климат).
Природные ресурсы – природные объекты и явления, которые
используются или могут быть использованы в будущем для удовлетворения
материальных и других потребностей общества и общественного
производства, способствующие воспроизводству трудовых ресурсов,
поддержанию условий существования человечества и повышения
жизненного уровня.
4
Тема1. Глобальные и Государственные экологические проблемы на
современном этапе.
1.1 Экология - теоретическая основа охраны природы. Система
экологического мониторинга. Видовая и пространственная структура
сообщества
Цель работы: изучить особенности видовой и пространственной структуры
биоценозов.
Многообразные живые организмы встречаются на Земле не в любом
сочетании, а в процессе совместного
существования образуют
биологические единства - сообщества или биоценозы. Термин «биоценоз»
был предложен немецким ученым Карлом Мебиусом в 1877 году.
Биоценоз - взаимосвязанная совокупность всех живых существ,
населяющих более или менее однородный участок суши или водоема. В
состав биоценоза входят такие компоненты как фитоценоз, зооценоз и
микроценоз. Любой биоценоз - это сложная природная система, которая
поддерживается за счет связей между видами и имеет сложную внутреннюю
структуру.
Структура - это определенное расположение и взаимосвязь входящих в
состав элементов. Различают трофическую, видовую, пространственную,
морфологическую, размерную и другие структуры биоценоза. Трофическая
структура сообщества рассматривалась в практической работе №1.
Видовая структура
Одним из важнейших показателей структуры сообщества является число
видов - видовой состав входящих в него организмов и количественное
соотношение видовых популяций. Показателем условий существования
живых организмов является общее число видов. Его уменьшение часто
указывает на загрязнение гораздо раньше, чем изменение общего числа
особей или плодородия.
Видовое разнообразие - признак экологического разнообразия: чем больше
видов, тем больше экологических ниш, т.е. выше богатство среды. Видовое
разнообразие связано также с устойчивостью сообщества: чем больше
разнообразия, тем шире возможность адаптации сообщества к изменившимся
условиям.
Виды, входящие в биоценоз, очень неравноценны по численности. Виды,
явно преобладающие по численности особей, носят название доминант (лат.
доминантис - господствующий). Виды, которые живут за счет доминантов,
получили название предоминантов. Часть массовых видов - важные
средообразователи, сильно влияющие на условия жизни для других. Это
виды - эдификаторы (лат.эдификатор - строитель). Удаление вида эдификатора из биоценоза влечет за собой изменение физической среды, и, в
первую очередь, микроклимата биотопа. Массовые виды составляют ядро
биоценоза. От состояния их популяций во многом зависят экологические
процессы. Наиболее разнообразны в биоценозах редкие и малочисленные
виды.
5
Редкие, как правило, стенобионтные виды, часто оказываются лучшими
индикаторами состояния среды. Их исчезновение позволяет сделать вывод о
наличии загрязнений или иных неблагоприятных воздействий на экосистему.
Между численностью видов-доминантов и общим видовым составом
сообщества имеется определенная связь. Со снижением числа видов обычно
обилие отдельных форм резко повышается, ослабевают биоценотические
связи, наиболее конкурентоспособные виды получают возможность
беспрепятственно размножаться. Чем специфичнее условия среды, тем
беднее видовой состав сообщества и выше численность отдельных видов.
Пространственная структура биоценоза
Совместное существование разных видов и жизненных форм в сообществе
приводит к их пространственному обособлению. Это выражается в
горизонтальном и вертикальном разделении фитоценоза на отдельные
элементы.
По вертикали растительное сообщество разделяется на ярусы горизонтальные слои, толщи, в которых располагаются надземные или
подземные части растений определенных жизненных форм. Ярусность
наиболее выражена в лесных фитоценозах. Обычно здесь насчитывается 5-6
ярусов: древесные ярусы (высоких и низких) деревьев, кустарниковый
(подлесок), травяно-кустарничковый, моховой (или лишайниковый),
подстилка (опад листвы). Луг, степь, болото - малоярусные сообщества имеют по 2-3 яруса.
Ярусное строение фитоценоза дает растениям возможность более
полно использовать ресурсы среды. Растения разных ярусов живут в разных
условиях, что уменьшает конкуренцию и способствует увеличению видового
разнообразия. Чем благоприятнее условия местообитания, тем сложнее
ярусность. Животные так же приурочены преимущественно к определенному
ярусу, некоторые животные могут перемещаться с одного яруса на другой.
По горизонтали сообщества также расчленяются на отдельные элементы микрогруппировки, расположение которых отражает неоднородность
условий жизни. Данные микрогруппировки различаются видовым составом,
количественным
соотношением
разных
видов,
сомкнутостью,
продуктивностью и другими свойствами.
Расчлененность в горизонтальном направлении и получила название
мозаичности и свойственна практически всем фитоценозам.
Важнейшим признаком структурной характеристики биоценозов является
наличие границ сообществ. Как правило, соседние биоценозы постепенно
переходят один в другой и, в результате, образуют обширные пограничные
или переходные зоны, отличающиеся особыми условиями. В таких
переходных зонах возникает сгущение видов и особей, наблюдается так
называемый эффект опушки. В лесах, где много полян и опушек, видовой
состав и растений, и птиц, и насекомых намного богаче, чем в обширных
однотонных насаждениях. «Опушечный эффект» часто используют при
создании парков и других искусственных лесных насаждений, где хотят
восстановить видовое разнообразие.
6
Задание 1
Разделите предлагаемый список местообитаний на экотопы и биотопы:
лес, дерево, скала, свежий песчанный нанос, валун, болото, пашня, камень с
лишайниками, движущийся бархан, луг, поле, заросшая дюна, галечная
отмель, каменистая осыпь, тундра, степь, пруд, ледник.
Все местообитания условно подразделяются на две группы. Первую
составляют незаселенные, но пригодные для жизни участки, где имеются
только абиотические факторы. Такие местообитания называются экотопами.
Другая группа - это участки, уже заселенные живыми организмами (прежде
всего растениями), где абиотическая среда изменена под их влиянием, и, где,
следовательно, действуют и биотические факторы. Эти местообитания
называются биотопами.
Экотопы
Биотопы
Задание 2
Сравнение видового состава биоценозов
Сравнить видовой состав гнездящихся птиц на трех участках степи.
Для сравнения биоценозов используют разные методы. Например, видовое
сходство определяют по формуле Жаккара:
К
С  100
, где
( А В)С
К - коэффициент видового сходства.
А - число видов данной группы в сообществе.
В - число видов данной группы во втором сообществе.
С - число видов общих для обоих сообществ.
Биоценозы сравнивают попарно, сопоставляя видовой состав по
систематическим группам. Например, по спискам цветковых растений, мхов,
лишайников, птиц, млекопитающих, насекомых и т. д.
Так, если в каждом биоценозе по десять видов данной группы, и пять из них
встречается как в одном, так и в другом сообществе, то видовое сходство
составит 33 %, а если общих видов восемь - то 66%.
1.
Ковыльная Жаворонок степной, жаворонок полевой, жаворонок малый,
степь
каменка-плясунья, каменка-плешанка, лунь степной, орел
степной
2. Посевы с Желтая трясогузка, жаворонок степной, жаворонок полевой,
лесополосами
розовый скворец, перепел, лунь полевой, жаворонок малый
3. Посевы без Каменка-плясунья, жаворонок малый, жаворонок степной,
лесополос
чибис, жаворонок полевой, лунь полевой
Подсчитать количество видов на каждом участке. Определить число общих
видов для каждой пары участков степи. Подставив полученные значения в
7
формулу, рассчитать три коэффициента Жаккара. Определить видовое
сходство для разных участков сообщества.
Письменно ответить на вопрос: на каких участках сообщества более сходны
между собой по составу размножающихся птиц? Учитывая особенности
местообитаний гнездящихся птиц, объяснить причину различной степени
сходства.
Задание 3
Пространственное обособление близкородственных видов птиц
по растительным ярусам
Впишите названия видов и укажите ярус, к которому они приурочены:
древесный, кустарниковый, травянистый.
Вид
Занимаемый ярус
Пищевые угодья у разных видов синиц:
1. Длиннохвостые синицы - обследуют в основном концы ветвей.
2. Синицы гаички - толстые основания ветвей.
3. Болотная гаичка - кустарники и основания нижних ветвей.
4. Лазоревка - средние и верхние ветви деревьев.
5. Московка - нижние ветви ели.
6. Буроголовая гаичка - средняя часть берез.
7. Большая синица - на земле, на пнях.
Тема 2. Понятие об экологических факторах
Цель работы: Ознакомиться с основными понятиями «среда»,
экологические факторы; изучить основные виды экологических факторов.
Освоить механизмы действия экологических факторов на организмы.
Все организмы существуют не сами по себе, а всецело зависят от
окружающей среды и постоянно испытывают на себе ее воздействие.
Каждый организм успешно выживает и размножается в конкретной среде,
характеризующейся относительно узким диапазоном температур, количеств
осадков, почвенных условий и др. Географический ареал любого вида
соответствует географическому распределению подходящих для него
условий среды. Поэтому изучение зависимости живых организмов от
условий среды является одной из первостепенных задач науки экология.
В целом, в экологии оперируют следующими основными понятиями
среды.
Окружающая среда – это вещество, энергия и пространство,
окружающие организмы и воздействующие на них как положительно, так и
отрицательно.
8
Природная среда – это совокупность природных абиотических и
биотических факторов, влияющих на живые организмы вне зависимости от
контакта с человеком.
Антропогенная среда – природная среда, измененная человеком.
Кроме этого, различают среду обитания – часть природной среды,
окружающая живые организмы, с которой они взаимодействуют. Составные
элементы и свойства среды обитания многообразны и изменчивы. При этом
одни элементы могут быть необходимы организму, другие безразличны, а
третьи – угнетающими.
В целом, среда, обеспечивающая возможность существования
организмов на Земле, очень разнообразна. На нашей планете можно
выделить четыре качественно отличающиеся среды жизни: водную, наземновоздушную, почву и живой организм.
Водная среда. Вода служит средой обитания многих организмов. Из
воды же они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду,
газы. Поэтому, несмотря на высокое разнообразие водных организмов, все
они должны быть приспособлены к главным особенностям жизни в водной
среде. Эти особенности определяются физическими и химическими
свойствами воды.
В толще воды постоянно находится большое число мелких
представителей растений и животных, ведущих жизнь во взвешенном
состоянии. Способность их к парению обеспечивается не только
физическими свойствами воды, обладающей выталкивающей силой, но и
специальными
приспособлениями
самих
организмов.
Например,
многочисленными выростами и придатками, значительно увеличивающими
поверхность тела относительно массы и, следовательно, повышающими
трение об окружающую жидкость.
К передвижению в водной среде животные приспособлены по-разному.
Активные пловцы (рыбы, дельфины и др.) имеют характерную обтекаемую
форму тела и конечности в виде плавников. Их быстрое плавание
облегчается также особенностями строения внешних покровов и наличием
специальной смазки ― слизи, снижающей трение о воду.
Вода обладает очень высокой теплоемкостью, т.е. свойством
накапливать и удерживать тепло. По этой причине в воде не бывает резких
колебаний температуры, которые часто случаются на суше. Воды полярных
морей могут быть очень холодными ― близкими к замерзанию. Однако
постоянство температуры позволило развиться ряду приспособлений,
обеспечивающих жизнь даже в этих условиях.
Одним из наиболее важных свойств воды является способность
растворять в себе другие вещества, которые могут использоваться водными
организмами для дыхания и питания.
Для дыхания необходим кислород. Поэтому насыщенность им воды
имеет очень большое значение.
Количество растворенного в воде кислорода уменьшается с
увеличением температуры. Причем в морской воде кислород растворяется
9
хуже, чем в пресной. По этой причине воды открытого моря тропического
пояса бедны живыми организмами. И наоборот, в полярных водах, где
больше кислорода, наблюдается обилие планктона – мелких рачков,
которыми кормятся представители богатой фауны, включая рыб и крупных
китообразных.
Дыхание водных организмов может совершаться всей поверхностью
тела или специальными органами ― жабрами. Для успешности дыхания
необходимо, чтобы вблизи тела происходило постоянное обновление воды.
Это достигается различными рода движениями. Для многих организмов
необходимо поддержание постоянного тока воды. Это может обеспечиваться
движением самого животного или особыми приспособлениями, например,
колеблющимися ресничками или щупальцами, которые производят возле рта
водоворот, загоняющий в него пищевые частицы.
Очень важным для жизни является солевой состав воды, особенное
значение для организмов имеют ионы Са2+. Моллюскам и ракообразным
кальций совершенно необходим для построения раковины или панциря.
Концентрация солей в воде может сильно изменяться. Вода считается
пресной, если в ней содержится менее 0,5 г на литр растворенных солей.
Морская вода отличается постоянством солености и содержит в среднем 35 г
солей в одном литре.
Наземно-воздушная среда, освоенная позже в ходе эволюции водной,
более сложна и разнообразна. Ей свойствен более высокий уровень
организации живого.
Наиболее важным фактором жизни пребывающих здесь организмов
являются свойства и состав окружающих их воздушных масс. Плотность
воздуха гораздо ниже плотности воды, поэтому у наземных организмов
сильно развиты опорные ткани ― внутренний и наружный скелет. Формы
движения крайне разнообразны: бегание, прыгание, ползание, полет и т. д.
По воздуху передвигаются птицы и многие насекомые. Потоки воздуха
разносят семена растений, споры, микроорганизмы.
Воздушные массы характеризуются огромным объемом и постоянно
находятся в движении. Температура воздуха может меняться очень быстро и
на больших пространствах. Поэтому живущие на суше организмы имеют
многочисленные приспособления, позволяющие выдерживать резкие
изменения температуры или избегать их. Наиболее замечательным
приспособлением является развитие теплокровности, возникшее именно в
наземно-воздушной среде.
В целом воздушно-наземная среда более разнообразна, чем водная;
условия жизни здесь сильно меняются во времени и в пространстве. Эти
изменения заметны даже на расстоянии в несколько десятков метров,
например, на границе леса и поля, на разной высоте в горах, даже на разных
склонах небольших холмов. Вместе с тем, здесь слабее выражены перепады
давления, но часто возникает недостаток влаги. Поэтому у наземных
обитателей развиты приспособления, связанные с обеспечением организма
водой, особенно в засушливых условиях. У растений это мощная корневая
10
система, водонепроницаемый слой на поверхности листьев и стеблей,
способность к регуляции испарения воды через устьица. У животных,
помимо особенностей строения внешних покровов, это и особенности
поведения, способствующие поддержанию водного баланса, например
миграции к водопоям или избегание иссушающих условий.
Большое значение для жизни наземных организмов имеет состав
воздуха (79 % азота, 21 % кислорода и 0,03 % углекислого газа), который
обеспечивает химическую основу жизни. Так, снижение удельного
количества кислорода в воздухе в зависимости от повышения высоты
местности определяет верхнюю границу жизни животных. Люди, например,
никогда не образовывали постоянных поселений на высоте свыше 6000 м над
уровнем моря.
Углекислый газ (диоксид углерода) является важнейшим сырьевым
источником для фотосинтеза. Азот воздуха необходим для синтеза белков и
нуклеиновых кислот.
Почва как среда обитания – верхний слой суши, образованный
минеральными частицами, переработанными деятельностью почвенных
обитателей. Это важный и очень сложный компонент биосферы, тесно
связанный с другими её частями. Жизнь почвы необычайна богата.
Некоторые организмы проводят в почве всю жизнь, другие – часть жизни.
Огромную роль играет почва в жизни растений.
Условия жизни в почве во многом определяются климатическими
факторами, важнейшим из которых является температура.
Тела организмов. Тела многих организмов могут служить жизненной
средой для других организмов (паразитов, симбионтов). Главную роль для
них играет обилие пищи, относительная стабильность условий,
защищённость от неблагоприятных факторов, но в то же время активное
сопротивление организма-хозяина. Естественно, что у организмов, живущих
в определённой среде, вырабатываются специфические приспособления к
экологическим условиям именно этой среды.
Это относится не только к паразитической, но и к некоторым другим
формам взаимоотношений между организмами. Жизнь внутри другого
организма характеризуется большим постоянством по сравнению с жизнью в
открытой среде. Поэтому организмы, находящие себе место в теле растений
или животных, часто полностью утрачивают органы и даже системы,
необходимые свободноживущим видам. У поселившихся внутри других
организмов не развиты органы чувств или органы движения, взамен которых
возникают приспособления (часто весьма изощренные) для удержания себя в
теле хозяина и эффективного размножения.
Условия существования (условия жизни) – совокупность необходимых
организмам элементов среды, с которыми они находятся в неразрывном
единстве и без которых существовать не могут.
Изменяющиеся элементы окружающей среды, воздействующие на
живые организмы и вызывающие у них ответные приспособительные
эколого-физиологические реакции, наследственно закрепляющиеся в
11
процессе эволюции, называются экологическими факторами (от лат factor –
делающий, производящий). В зависимости от особенностей внешних
воздействий факторов различают три основных типа ответных реакций
живых организмов:
– изменение положения организма в пространстве по отношению к
источнику воздействия;
– количественные изменения уровня жизнедеятельности, в частности
обмена веществ без изменения его характера. Значение данного типа реакции
особо важно в тех случаях, когда в ответ на внешнее воздействие организм не
может изменить свое положение в пространстве;
– изменение характера жизнедеятельности и обмена веществ (диапауза,
спячка, анабиоз, фотопериодизм и другие изменения жизненного цикла,
иммунитет и т.п.). Эти реакции наступают под влиянием внешних
воздействий большой длительности или интенсивности (смена сезонов,
воздействие паразитов, загрязняющих веществ и т.д.).
Все типы ответных реакций вызываются быстрыми изменениями
элементов окружающей среды во времени. Изменения экологических
факторов во времени, в свою очередь, подразделяются на регулярнопериодические и непериодические (нерегулярные).
Регулярно-периодическими являются факторы, которые меняют силу
воздействия в зависимости от времени суток, сезона года, ритма приливов и
отливов в океане. Они делятся на первичные (температура, освещенность,
морские приливы и отливы и др.), которые зависят от вращения Земли вокруг
Солнца и вторичные, которые являются следствием изменения первичных. К
ним относятся: влажность воздуха, зависящая от температуры; наличие
растительной пищи, зависящее от развития растений; биотические влияния,
связанные с годовыми циклами.
Непериодические и нерегулярные изменения экологических факторов
проявляются внезапно, без четкой периодичности. Например, изменения
погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера
(бури, ливни, наводнения, извержения вулканов, обвалы), воздействия
паразитов и другие межвидовые биотические влияния, а также все формы
антропогенных воздействий. В большинстве случаев приспособлений
организмов к таким факторам не существует. В связи с этим появляется
необходимость применения методов борьбы против вредных организмов
(растений, животных, микроорганизмов) с помощью химических,
биологических и технических средств.
Из-за разнообразия природы и специфики действия экологические
факторы подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.
Абиотические факторы – это факторы неживой природы. В наземных
экосистемах к абиотическим факторам относят:
– климатические: свет, тепло, воздух (его состав и движение), влага
(включая осадки в разных формах, влажность воздуха и почвы и др.);
– эдафические (или почвенно-грунтовые): гранулометрический и
химический состав почв и грунтов, их физические свойства;
12
– орографические (условия рельефа).
Основные абиотические факторы, оказывающие решающее влияние на
жизнеспособность организмов – климатические (свет, тепло, воздух,
влажность воздуха и почвы, снежный покров).
Два абиотических фактора – температура и количество осадков –
определяют размещение на земной поверхности основных наземных
экосистем.
Биотические факторы – это формы взаимоотношения живых существ.
Они подразделяются на:
– фитогенные факторы – влияние растений (прямое и косвенное).
К прямому влиянию относятся механические контакты, симбиоз,
паразитизм, поселение эпифитов и др. Например, в агроценозах повилика
полевая паразитирует на люцерне, клевере, вике, чечевице и других
растениях. При механическом контакте, симбиозе растения влияют друг на
друга при помощи биологически активных веществ (витамины, антибиотики,
ферменты, фитонциды и др.), которые могут стимулировать или
ингибировать рост других растений.
Косвенные влияния выражаются в благоприятных изменениях
экологических факторов (света, влаги, почвенного питания) – фитогенных
изменениях среды обитания организмов. Например, пырей ползучий в почву
выделяет агропирин, ингибирующий не только рост культурных растений, но
и прорастание их семян. С другой стороны, при грамотном использовании
фитонцидных свойств различных растений, можно не только повысить
урожайность сельскохозяйственных культур, но и существенно повысить
качество урожая, главным образом отказавшись от пестицидов. Например,
люцерна препятствует фузариозному увяданию картофеля; укроп, растущий
среди огурцов, увеличивает продолжительность их плодоношения; при
близком расположении яблоня избавляет малину от серой гнили, а малина
яблоню – от парши.
– зоогенные факторы представляют собой влияние животных
(поедание, вытаптывание и другие механические воздействия, опыление,
распространение семян и влияние на среду). В сельском хозяйстве эти
факторы используют в биологической защите растений от вредных
организмов. Например, яйцепаразит трихограмма используется при борьбе с
капустной, хлопковой, озимой совками, гороховой плодожоркой.
– микробогенные факторы обусловлены влиянием микроорганизмов и
грибов (паразитизм, изменение среды). Они могут вызывать различные
болезни организмов. Изменение их количества разнообразна в ризосфере, что
приводит к ухудшению или улучшению питания растений.
Антропогенные факторы (от гр. anthropos – человек и genos –
рождение) отражают влияние деятельности человека на окружающую среду.
К таким факторам относят воздействия сельскохозяйственного производства,
промышленности, транспорта и другие формы ведения хозяйства.
Влияние факторов на живые организмы изучает раздел экологии –
аутэкология, который устанавливает пределы существования особей
13
(организма) в окружающей среде, изучает реакции организмов на
воздействие факторов среды, их приспособленность к условиям среды
обитания. Термин «аутэкология» был введён швейцарским ботаником К.
Шретером в 1896 г. именно для обозначения экологии особей.
Аутэкология в качестве живой системы рассматривает отдельный
живой организм (животное, растение или микроорганизм), а также среду
(всё, что этот организм окружает).
Влияние факторов среды определяется, прежде всего, их воздействием
на обмен веществ организмов. Отсюда все экологические факторы по их
действию
можно
подразделить
на
прямодействующие
и
косвеннодействующие. Те и другие могут оказывать существенные
воздействия на жизнь отдельных организмов и на все сообщество.
Тема 3 Популяция, их свойства
Цель работы: рассчитать основные характеристики популяций и
рассмотреть их изменение в динамике.
Популяция - совокупность особей одного вида, занимающая
определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого
числа поколений.
Экологи рассматривают популяции в качестве основных элементов
каждой экосистемы. Основные характеристики популяции - численность и
плотность, рождаемость, смертность, возрастная структура, темп роста,
величина
занимаемой
территории.
Это
групповые
свойства,
характеризующие только популяцию в целом.
Расчет изменения численности популяции дикого голубя
I.
Эколог
изучает
популяцию
дикого
голубя.
По
предварительным наблюдениям установлено, что плотность в изучаемом
районе составляет 130 особей /га. За период размножения (у голубя один раз
в году) из одной кладки яиц в среднем выживает 1,3 птенца. В популяции
равное число самцов и самок. Смертность голубя постоянна, в среднем
погибает 27% особей.
Задание:
1. Рассчитать показатели и составить график изменения
плотности, рождаемости и смертности в популяции дикого голубя в
течение пяти лет.
2. Письменно проанализировать изменение данных показатели за
исследуемый период.
Пример расчета изменения численности за один год:
Р = Пс х Пл = 130 : 2 х 1.3 = 84
С = Поб х Су = 130 х 27 : 100 = 35
П1 = П2 + Р - С = 130 + 84 - 35 = 179, где
Р – рождаемость
Пс - плотность самок
Пл - плодовитость
14
С - смертность
Поб - общая плотность
Су - удельная смертность
П1 - плотность популяции к началу следующего года
П2 - плотность популяции к началу данного года
Полученные результаты записать в таблицу 6.
Таблица - Показатели популяции дикого голубя
Показатели
Годы жизни
3
1
2
4
5
Плотность
130
179
Рождаемость
84
Смертность
35
Провести оставшиеся расчеты, заполнить таблицу. Составить график
изменения рассчитанных показателей. Эта часть работы выполняется всей
группой.
II. Самостоятельно выполнить предыдущее задание с учетом
изменения трех показателей: исходная плотность, число выживших
птенцов и уровень смертности. Варианты и значения показателей
представлены в таблице.
Сравнить полученные результаты. Выявить сходство или различие в
динамике рассчитанных показателей в двух популяциях дикого голубя и
объяснить, с чем они связаны.
Таблица - Задания по вариантам
Показатели популяции голубя
Номер
исходная плотность,
число выживших
смертность,
варианта
особи/га
птенцов
%
1
100
1,2
25
2
120
1,3
26
3
110
1.1
24
4
130
1,4
27
5
120
1,3
28
6
100
1,1
29
7
140
1,4
21
8
150
1,6
27
9
130
1,8
29
10
110
1,6
24
11
90
1,5
25
12
130
1,7
30
13
100
2
25
14
140
1,4
30
15
110
2,4
40
15
Расчет и построение кривых выживания
Средняя продолжительность жизни группы организмов, появившихся
на свет в одном и том же году будет определяться величиной смертности.
Чем больше смертность, тем меньше средняя продолжительность жизни
группы, и наоборот. В экологии широкое распространение получило
графическое построение кривых выживания, выражающих зависимость
числа выживших из 100 или 1000 особей от их возраста. Обычно при
построении этих кривых по оси абсцисс откладывают время или возраст, а по
оси ординат - число выживших особей. Кривые выживания подразделяют на
три общих типа, которые соответствуют трем типам смертности (рисунок 4).
Сильно выпуклая кривая характерна для видов, у которых смертность
резко повышается лишь к концу жизни, а до этого она остается низкой. Такой
вид кривой характерен для многих видов крупных животных, в том числе и
человека.
Сильно вогнутая кривая характерна для видов, у которых смертность
очень высока на ранних стадиях жизни (рыбы, моллюски, насекомые, дубы).
К промежуточному типу относятся кривые выживания таких видов, у
которых смертность мало изменяется с возрастом и остается более или
менее одинаковой в течение всей жизни данной группы (многие виды птиц,
мышей, кроликов и др.)
Рисунок 4 – Различные типы кривых выживания
Форма кривой выживания связана со степенью заботы о потомстве и
другими способами защиты молоди, а также часто изменяется при
изменениях плотности популяции. При возрастании плотности форма кривой
становится более вогнутой, т.е. при увеличении численности организмов их
смертность возрастает.
16
Задание:
1. Построить кривую выживания, характеризующую изменение
численности группы особей, родившихся одновременно. Начальная
численность составляет 2000 особей. Смертность за первый год жизни 40%, за второй год - 20%, за третий - 15%. Начиная с четвертого года
жизни, смертность становится постоянной, ее годовая оценка составляет
20% .
Провести необходимые вычисления, определяя число погибших особей
по годам жизни. Расчеты проводить до тех пор, пока не останется в живых
1-2 особи.
Ответить на вопрос: до какого возраста доживут особи этой группы?
2. На этом же графике построить кривую выживания для случая,
когда, начиная со второго года смертность остается постоянной и будет
составлять 40% в год. До какого возраста доживут особи этой группы?
Сделать вывод о зависимости средней продолжительности жизни
группы от уровня смертности.
Тема 4 Экологические основы рационального использования
биологических ресурсов Искусственные экосистемы. Агроценозы, их
особенности как неустойчивых экологических систем. Экологизация
сельскохозяйственного производства и промышленности
Основные законы экологии:
Закон биогенной миграции атомов (В.И.Вернадского): миграция
химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом
осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная
миграция, или же она протекает в среде, геохимические особенности (О2,
СО2, Н2 и т.д.) которой обусловлены живым веществом. Согласно этому
закону, понимание общих химических процессов, протекавших и
протекающих в слоях биосферы невозможно без учета биотических
факторов, в том числе и эволюционных.
Закон
физико-химического
единства
живого
вещества:
общебиосферный закон – живое вещество физико-химически едино; при всей
разнокачественности живых организмов они настолько физико-химически
сходны, что вредное для одних не безразлично для других (например,
загрязнители).
Принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и
неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется
постоянное взаимодействие.
Закон единства «организм – среда»: жизнь развивается в результате
постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в
совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Организмы не в
состоянии существовать без контакта с окружающей средой и другими
населяющими ее организмами.
17
Закон необратимости эволюции Л. Полло: организм (популяция, вид)
не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его
предков, даже вернувшись в среду их обитания.
Вместе с общепринятыми законами экологии существует ряд законов,
которые непосредственно оказывают влияние на сельскохозяйственное
производство (растениеводство, животноводство и др. отрасли). Эти законы
необходимо рассмотреть более подробно.
Закон ограничивающего фактора (закон минимума Ю. Либиха),
который гласит, что наиболее значим тот фактор, который больше всего
отклоняется от оптимальных для организма значений и от него зависит в
данный момент выживание особей. Более того, веществом, присутствующим
в минимуме управляется рост и развитие, как культурных растений, так и
сельскохозяйственных животных. В качестве наглядной иллюстрации закона
минимума Либиха часто изображают бочку, у которой образующие
боковую поверхность доски имеют разную высоту (рис. 3).
Длина самой короткой доски определяет уровень, до которого можно
наполнить бочку водой. Следовательно, длина этой доски – лимитирующий
фактор для количества воды, которую можно налить в бочку. Длина других
досок уже не имеет значения.
Поясним закон минимума Либиха на конкретных примерах. В почве
содержатся все элементы минерального питания, необходимые для данного
вида растений, кроме одного из них, например бора. Рост растений на такой
почве будет сильно угнетен или вообще невозможен. Если мы теперь
добавим в почву нужное количество бора, это приведет к увеличению урожая.
Но если мы будем вносить любые другие химические соединения (например,
азот, фосфор, калий) и даже добьемся того, что все они будут содержаться в
оптимальных количествах, а бор будет отсутствовать, это не даст никакого
эффекта. Точно так же, если кислотность (рН) почвы отклоняется от
оптимума, например для озимой ржи, то никакие агротехнические
мероприятия, кроме снижающего кислотность известкования, не помогут
существенно увеличить урожайность этой культуры на данном поле. Закон
минимума Либиха относится ко всем влияющим на организм абиотическим и
биотическим факторам. Сформулированный закон применим как к растениям,
так и животным.
Однако, как показал В. Шелфорд (1913), лимитирующим фактором
может быть не только недостаток, но и избыток факторов, таких как,
например, тепло, свет и вода. Представление о лимитирующем влиянии
максимума наравне с минимумом он сформулировал в законе толерантности
(В. Шелфорда): лимитирующим фактором процветания организма (вида)
может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия,
диапазон
между
которыми
определяет
величину
выносливости
(толерантности) организма к данному фактору. Благодаря данному закону с
начала ХХ века были проведены многочисленные исследования и стали
известны пределы существования для многих растений и животных.
18
Закон оптимума: любой экологический фактор имеет определенные
пределы положительного влияния на живые организмы. Данный закон
вытекает из предыдущих двух законов, однако подчеркивает важность
оптимальных значений экологических факторов на жизнедеятельность
живых организмов.
Закон (принцип) исключения Гаузе: два вида не могут существовать в
одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны,
т.е. если они занимают одну и ту же экологическую нишу.
В 1974 г. Б. Коммонер выдвинул ряд положений, которые сегодня
называют законами экологии: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то
деваться; 3) природа «знает» лучше; 4) ничто не дается даром.
Первый закон «Все связано со всем» отражает существование
сложнейшей сети взаимодействий в природе. Он предостерегает человека от
необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может
привести к непредвиденным последствиям.
Второй закон «Все должно куда-то деваться» вытекает из
фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по-новому
рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные
количества веществ извлечены из Земли, преобразованы в новые
соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что «все
куда-то девается». И как результат – большие количества веществ зачастую
накапливаются там, где по природе их не должно быть.
Третий закон «Природа знает лучше» исходит из того, что
«структура организма нынешних живых существ или организмов
современной природной экосистемы – наилучшие в том смысле, что они
были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый
вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне». Этот закон
призывает к тщательному изучению естественных био- и экосистем,
сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного
знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее
«улучшения».
Четвертый закон «Ничто не дается даром», объединяет
предшествующие три закона, потому что биосфера как глобальная
экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не
может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом
всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим
трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя
избежать, он может быть только отсрочен.
Задание 1 Ответить на следующие вопросы:
1.Система
экологически
оптимальной
биопродуктивности
сельскохозяйственных культур.
2.Поликультуры. Восстановительное земледелие. Биоземледелие и
биологическая защита растений.
3.Органическое мини-земледелие с применением вермикультуры,
получение биогумуса.
19
4.Вещества, загрязняющие продукты питания и корма, их предельно
допустимая концентрация (ПДК) в продуктах.
5.Загрязненность продуктов животноводства остатками антибиотиков.
Тема 5 Охрана природных ресурсов – сохранение жизни человека
на земле.Охрана природы, как наука. Влияние деятельности человека
на природу в различные исторические эпохи.
Цель работы: изучить количественные законы взаимодействия видов в
сообществе
Последствия пищевых связей наиболее ярко проявляются в
отношениях «хищник - жертва». Самый существенный результат
трофических взаимосвязей - сдерживание роста численности видов.
Существование
пищевых
отношений
в
природе
противостоит
геометрической прогрессии размножения. Отношения «хищник - жертва»
могут быть причиной регулярных периодических колебаний численности
каждого из взаимодействующих видов. Русский ученый Г.Ф.Гаузе (1935)
экспериментально подтвердил существование такой закономерности (опыт
по изучению изменения численности двух видов инфузорий: дидиниум хищник и туфелька - жертва). Количественные законы взаимодействия видов
в их трофических связях очень важны для практики. Человеку важно уметь
предвидеть последствия своей деятельности и организовать ее так, чтобы не
подорвать природные запасы.
Проанализировать результаты учета гусениц в лесном биоценозе.
В одном из лесных хозяйств учитывали гусениц хвойной листовертки вредителя хвойных пород, а среди них - число здоровых и зараженных
паразитами.
Таблица 1- Результаты учета гусениц листовертки в лесном хозяйстве
Поколени
8
9
1
я
0
Всего
1
2
3
гусениц
9
21
76
22
00
4
5
60
65
44
Заражено
1
2
4
3
7
8
1
4
0
8
4
По полученным данным начертите графики изменения общей
численности гусениц и числа зараженных. Опишите и объясните полученные
на графике кривые.
20
Рисунок 1 - Изменение общей численности и числа зараженных
паразитами гусениц хвойной листовертки.
Проанализировать последствия пищевых связей в отношениях «паразит
– хозяин».
В одном из опытов мелкие насекомые паразиты искали и заражали
своими яйцами куколки-пупарии комнатной мухи. В разных вариантах опыта
40 паразитам предлагали разное число куколок. Число зараженных куколок
по вариантам опыта оказалось различным. Результаты эксперимента
приведены в таблицах 2 - 5 (задание имеет четыре варианта).
Вариант 1
Таблица 2 - Общее число куколок и число зараженных яйцами
паразитов
Варианты опыта
Показатели
1
2
3
4
5
Число куколок
25
50
10
150
2
0
00
Число
6
18
32
48
54
зараженных пупариев
2
Вариант 2
Таблица 3
Показатели
Варианты опыта
21
Число
куколок
Число
зараженных
пупариев
1
25
2
50
3
100
4
150
5
200
12
25
45
49
51
Вариант 3
Таблица 4
Показатели
Число куколок
Варианты опыта
1
2
25
50
3
10
0
Число
зараженных
пупариев
16
29
4
20
0
5
25
0
46
50
58
3
10
4
20
5
30
Вариант 4
Таблица 5
Показатели
Число куколок
Варианты опыта
1
2
25
50
0
Число
зараженных
пупариев
17
27
0
47
0
52
60
Рассчитать число зараженных пупариев, приходящихся на одного
паразита. Пример расчета: в одном из вариантов опыта 40 паразитам
предлагали 25 куколок комнатной мухи. Число зараженных куколок
оказалось равным 20. Составить и решить пропорцию:
40  20
1 Х
Начертить график зависимости зараженных пупариев, приходящихся
на одного паразита, в каждом варианте опыта.
22
Рисунок 2 - Зависимость числа зараженных пупариев, приходящихся
на одного паразита, от численности жертв.
Рассчитать какую долю куколок мух заражают паразиты в каждом
варианте опыта. Пример расчета: в первом варианте опыта число куколок
комнатной мухи равно 25. Число зараженных пупариев - 15. Составить и
решить пропорцию
25  100%
15  Х
По результатам расчетов начертить соответствующий график.
Рисунок 3 - Доля зараженных паразитами куколок мух в разных
вариантах опыта.
Проанализировав данные на рисунках 2 и 3, ответьте на вопрос.
23
В каком из вариантов опыта паразиты наиболее эффективно влияли на
численность куколок? Ответ обоснуйте. Рассмотрите как экологические, так
и экономические причины.
Конкурентные взаимодействия в природе
Цель работы: изучить особенности двух видов конкуренции и
следствия основных законов конкурентных отношений в природе.
Выделяют внутривидовую и межвидовую конкуренцию. Обе имеют
большое значение в формировании разнообразия видов и численности
организмов. Под влиянием внутривидовой конкуренции за пространство у
некоторых организмов сформировался интересный тип поведения территориальность.
Территориальное
поведение
можно
считать
экологическим регулятором. Пример внутривидовой конкуренции у растений
- самоизреживание. Межвидовую конкуренцию экология рассматривает в
конкретном, узком смысле - только как взаимоотрицательные отношения
совместно проживающих близкородственных или сходных экологических
видов.
Невозможность длительного совместного выживания двух видов с
близкими экологическими требованиями
называется
правилом
конкурентного исключения или законом Г.Ф.Гаузе. Чем больше видов живет
вместе, тем более детально они отличаются друг от друга по использованию
сходных ресурсов.
Правило А.Тинеманна гласит, что, чем беднее видами сообщество, тем
выше может быть численность каждого отдельного вида.
Конкуренция - один из основных типов взаимозависимости видов,
влияющий на состав природных сообществ.
Конструирование сообществ на основе знания экологических законов
получило название экологической инженерии.
Вопросы
1Как можно показать и доказать, что растения действительно
конкурируют между собой за влагу и питательные вещества? Предложите
минимум два способа доказательства и объясните смысл эксперимента.
2Что общего и какая разница в проявлении свойства
территориальности у животных и растений? Приведите известные вам
примеры.
3 Какие свойства сорняков дают им возможность не только успешно
конкурировать с культурными растениями, значительно снижая урожай, но и
столь же успешно выдерживать борьбу с ними человека? Можно ли сказать,
что эти свойства выработались у сорняков в процессе эволюции в результате
конкуренции? Если да, то почему?
4Каковы последствия уничтожения хищников ради спасения
популяции жертвы (на примере массового отстрела волков ради сохранения
поголовья оленей)? Что происходит с популяцией жертвы, освобожденной от
пресса хищников? Почему желаемый результат (увеличение поголовья)
достигается только вначале и на короткое время?
24
5Какой вывод можно сделать относительно экологической роли
хищников?
Рекомендуемая литература
а) Основная литература
1. Уразаев Н. А., Вакулин А. А., Марымов В. И. Сельскохозяйственная
экология. – М.: Колос, 1996. – 255 с.
2. Степановских А. С., Усольцев Ю. А. Практикум по экологии: учебное
пособие. – Куртамыш: Куртамышская типография, 2010. – 290 с.
3. Степановских А.С. Практикум по биоэкологи. – Курган. КГСХА, 2008.
- 145 с.
4. Степановских А.С. Экология: учебник. – Курган: Зауралье, 2000. - 704
с.
5. Усольцев Ю. А. Методические указания для практических занятий по
экологии: учебное пособие. – Курган: Курганская ГСХА, 2004. – 92 с.
б) Дополнительная литература
1. Банников А. Г., Вакулин А. А., Рустамов А. К. Основы экологии и
охраны окружающей среды: учебник. – 4-е доп. и перераб. изд. – М.:
Колос, 1999. – 304 с.
2. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Промышленно-транспортная
экология: учебник для вузов/ ред. В. Н. Луканин. – М.: Высшая школа,
2001. – 273 с.
3. Общая экология: учебник для вузов/ сост.А. С. Степановских. - М.:
ЮНИТИ-ДАНА, 2000. -510 с.
4. Практикум по экологии: Учебное пособие/Н. В. Груздева, А. Г.
Муравьев, Э В. Гущина, С. В. Алексеев. – М.: Мдс, 1996. – 192 с.
5. Розанов С. И. Общая биология: учебник для технических направлений
и специальностей. – 6-е изд., стер. – СПб: Лань, 2005. – 288 с.
6. Степановский, А.С. Общая экология: учебник для вузов. – 2-е изд., доп
и перераб. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005. - 687 с.
7. Степановских А. С. Общая экология: учебное пособие. – Курган:
Зауралье, 1996. – 464 с.
8. Степановских А. С. Общая экология: учебное пособие. - М, 2000. –
о=эл.опт.диск (CD-ROM)
9. Федорова. А.И. Никольская, А.Н. Практикум по экологии и охране
окружающей среды. – М.: Владос, 2003. – 285 с.
10. Экология: CD-ROM. Общий курс. – М.: Новый диск, 1998 CD-ROM
25