Практическая работа 1 Студент гр номер гр. Фио спбгэту лэти, 2022 г
 Скачать 1.02 Mb.
|
|
ЭКОЛОГИЯ Исследование структуры и особенностей функционирования экологических систем Практическая работа №1 Студент гр._______ _______________________ номер гр. ФИО СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2022 г. 2370 Смирнов Максим Алексеевич Задание 1. Экологические системы Вариант: _____________________________________________________ Дайте описание экологической системы в соответствии с вариантом. 1. Вид экосистемы 2. Тип природной экосистемы 3. Общие особенности 4. Физико- географическая зона 5. Климат 18 По пространственному масштабу - мезоэкосистема По степени антропогенного воздействия - естественная природная экосистема Водная , пресноводная озёрная экосистема - Основным источником энергии в озере является солнечный свет - Когда лучи проходят через толщу воды , большую часть энергии поглощает планктон , чтобы затем использовать ее для процессов фотосинтеза - Оставшийся свет постепенно поглощается самой водой Поэтому освещенность на верхних уровнях всегда большая , а ближе ко дну уменьшается - Любая достаточно крупная экосистема озера имеет так называемый компенсационный уровень Это глубина , которой достигает минимально необходимое растениям количество света Фотосинтез у таких растений замедляется , чтобы уравновесить другие показатели – дыхание и расход пищи - Расположение компенсационного уровня напрямую зависит от свойств воды , ее чистоты и прозрачности Он является некой условной разделительной линией Выше нее растения вырабатывают избыточное количество кислорода , которым затем пользуются другие живые организмы А ниже разделительной линии кислорода , наоборот , слишком мало Основная его часть попадает на глубину из других , верхних слоев воды Таким образом , ниже компенсационного уровня обитают только те живые организмы , которые могут обходиться минимальным количеством кислорода Горная зона , смешанный лес ( Определил что это озеро Рица На Западном Кавказе , в Абхазии , в Гудаутском районе частично признанной Республики Абхазия ) Средиземноморский , субтропический с жарким летом Влажность воздуха на протяжении года - высокая 6. Рельеф 7. Гидрологические условия 8. Типы почв для наземных экосистем/уровень солености вод для водных экосистем 9. Продуктивность 10. Видовое разнообразие и устойчивость Рельеф Абхазии многообразен Разделить его можно на следующие зоны : высокогорную , горную , горно - лесную , холмистую , равнинную Горная зона занимает 75 % всей площади республики Рельеф Абхазии горной зоны представляет из себя территорию ограничивающую республику с севера отрогами Главного хребта К ним относятся Гагрский , Абхазский , Бзыбский и Кодорский хребты Глубина озера достигает 2200-3200 метров Площадь — 1,27 км ², длина — 2,5 километров , ширина — 270-870 м Средняя глубина составляет 63 м , наибольшая — 131 метров Озеро Рица на протяжении года подпитывают дождевые и снеговые воды ( вода в озере ледниково - тектонического происхождения ). Сезонные колебания уровня воды составляют 2 — 3 м В особенно суровые зимы озеро Рица покрывается льдом толщиной 1-5 сантиметров , а покров снега в районе озера достигает 7-11 м . , в обычный период не превышает 2-3 м Основной обитатель озера – форель 1) Типы почв : На низменностях и в предгорьях сочетаются болотные , субтропические подзолистые , красноземные и желтоземные почвы В горах до высоты 1700 м — перегнойно - карбонатные и бурые лесные почвы , выше — дерновые и дерново - травянистые горно - луговые 2) Уровень солёности : вода в озере пресная ( минерализация Рицы – 50 миллиграммов солей на кубический метр воды ) Высокая либо умеренная продуктивность ( по величине биологической продуктивности ) Культурная и дикая флора Абхазии совместно насчитывает более 3000 видов Фауна Абхазии включает свыше 440 видов позвоночных , что составляет 1% мировой фауны , из них редких и исчезающих около 30%. Абхазия - первая по лесистости в Закавказье страна , лесами покрыто свыше 55 % ее площади Благодаря субтропическому климату , благоприятному для растительности , флора Абхазии очень разнообразна - она включает более 2000 видов растений В причерноморской полосе и в ущельях встречаются отдельные массивы широколиственных лесов На мысе Пицунда сохранилась знаменитая роща реликтовой пицундской сосны Задание 2. Адаптация организмов Приведите примеры адаптации организмов к экологическим факторам среды. Общие сведения Эволюция живых организмов Земли шла в направлении совершенствования их регуляторных систем в целях сведения к минимуму зависимости от факторов среды. Приобретение организмами особенностей (морфологических, физиологических, поведенческих), позволяющих им существовать в среде наиболее эффективно, называют адаптациями (от лат. аdaptatio - приспособление). Формирование адаптаций к среде является двигателем биологический эволюции. Интересно, что термином адаптация называют как процесс приспособления к окружающим условиям, так и достигнутый результат. Российский физиолог З.Меерсон (1981) определяет результаты адаптаций как приобретение организмами устойчивости к определенным факторам, способности жить в условиях, ранее не совместимых с жизнью, способности решения ранее не осуществимых задач. Классическим примером эффективности адаптации является эксперимент, в котором на высоту 7000 м поднимали аборигенов Анд и неадаптированных людей. При этом аборигены могли играть в шахматы, а жители равнины теряли сознание. Адаптации традиционно принято делить на поведенческие, физиологические и морфологические (изменения в строении). Характер и степень изменений, происшедших с организмами зависят от вида и интенсивности факторов, к которым происходят приспособления. Поведенческая адаптация, заключающаяся в поведении организма, снижающим отрицательные действия экологических факторов (например, маскировка жертв или выслеживание добычи хищниками, активный поиск оптимальных условий); Физиологическая адаптация, состоящая в изменении обмена веществ с целью приспособления к неблагоприятным экологическим факторам (например, впадение организмов в анабиоз на неблагоприятный период года) Морфологическая адаптация, предполагающая строение тела организма, приспособленное к состоянию окружающей среды (например, отсутствие листьев у пустынных растений) Дайте описание и преимущества приспособления, заполнив таблицу. Вариант: _____________________________________________________ Формы приспособлений Примеры Описание приспособления Преимущества данного приспособления Строение тела Предупреждающая окраска Покровительственная окраска (маскировка) Мимикрия 18 Стебель кактуса У разных видов бывают разные стебли Стебли зелёные , сочные , колонновидные , шаровидные или эллипсоидальные , угловатые или ребристые , нередко сплюснутые , с сильно развитой водоносной паренхимой Стебель содержит хлоропласты с хлорофиллом , они распадаются , ускоряя процесс фотосинтеза Покрыты стебли кожицей , которая обеспечивает надежную защиту от агрессивного внешнего воздействия На 95% стебель состоит из воды , что позволяет видам выживать в самых засушливых условиях На стебле кактуса находятся зачатки листьев ( ребра , бугорки , сосочки с колючками ). Эти элементы защищают растение от активного солнечного воздействия , образуя вокруг кактуса немного тени Окраска Кораллового аспида Окраска кораллового аспида представлена светлыми полосками , чёрными и ярко - красными кольцами - Во время быстрого передвижения эти разноцветные пятна стремительно мелькают Это очень сбивает врага змеи с толку - Яркая окраска предупреждает всех , что змея ядовита Маскировка Пустынной ящерицы Рептилии пустынной ночной ящерицы оливкового , серого или желто - коричневого цвета со светло - коричневыми и темными пятнами или узкими полосами Узкая бежевая линия с темно - коричневой или черной окантовкой начинается от глаза до плеча Низ белый , состоит из крупных квадратных чешуек с двенадцатью рядами когда поверхность тела животного покрыта полосками , пятнами или чёрточками , которые мешают воспринимать объект как единое целое , отчего он легко маскируется в окружающем его пространстве Листья - ловушки Дарлингтонии Листья - ловушки жёлтого или красно - оранжевого цвета в форме капюшона кобры На их верхушке — кувшинчик светло - зелёного цвета , достигающий в диаметре 60 сантиметров Ловушки - накопители выделяют резкий запах , который привлекает насекомых Они попадают внутрь и больше не могут выбраться Насекомые перевариваются в пищеварительных соках растения , которое таким образом получает дополнительные питательные вещества Приспособительное поведение Сезонная миграция Запасание кормов Сооружение гнезд Имитация ранения Водопойные миграции Поддержание температуры тела путём пребывания на солнце или в тени Образование скоплений, препятствующих чрезмерному охлаждению или перегреванию Избегание неприятного фактора Задание 3. Экологические факторы В данном задании предлагается исследовать влияние ряда экологических факторов на устойчивое развитие вида. Согласно варианту и методическим материалам необходимо: 1. Подсчитать N e для популяции, учитывая колебания числа потомков в семье. Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания. Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции. 2. Подсчитать N e для популяции, учитывая колебания численности поколений. Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания. Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции. 3. Подсчитать N e для популяции, учитывая неравное число самцов и самок. Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания. Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции. Методические рекомендации Эволюция – процесс развития биосферы – является результатом множества микроэволюций. В экологии под «микроэволюцией» понимают направленные изменения особей конкретной популяции. Эволюционные изменения популяций происходят под действием двух факторов: мутации организмов и естественного отбора. Мутации – внезапные естественные или искусственно вызванные наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Таким образом, мутация обеспечивает появление в популяции организмов с отклонениями от стандартного набора признаков, а влияние окружающей среды приводит к гибели особей с неудачными отклонениями, то есть существует естественный отбор генетического материала популяции (генофонда). При длительной стабильности экологических факторов в популяции осуществляется стабилизирующий отбор, препятствующий ее изменчивости. При стабильных дрейфах значений факторов организмы приспосабливаются к ним либо изменением одного адаптивного признака (движущий отбор), либо изменением в нескольких направлениях (дизруптивный отбор, приводящий к образованию нескольких видов из одного). Анализ эволюционных процессов показывает, что чем больше разнообразность генов (гетерогенность) в популяции, тем шире ее экологические кривые и выше ее приспособительные возможности. Поэтому генетическое разнообразие особей популяции чрезвычайно важно для ее устойчивого существования. Для анализа гетерогенности популяции вводят понятия эффективного размера популяции. N e – численность идеальной популяции, в которой каждая особь дает равный вклад в общий генофонд нового поколения. В реальной популяции ее численность N всегда превышает N e по следующим причинам: 1. Колебания числа потомков в семье 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 4∙𝑁𝑁 2+𝜎𝜎 , (1) где 𝜎𝜎 – дисперсия числа потомков. Например, при 𝜎𝜎 = 4 число детей в семье меняется от 0 до 4, а N e = 𝑁𝑁∙2 3 2. Колебания численности поколений 1 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = ( 1 𝑁𝑁 1 + 1 𝑁𝑁 2 + ⋯ + 1 𝑁𝑁 𝑚𝑚 )/𝑚𝑚, (2) где N m – численность m-гo поколения. Например, снижение в одном из десяти поколений численности популяции с 1000 до 50 особей приведет к снижению N e с 1000 до 345. 3. Неравное число самцов N 1 и самок N 2 1 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 1 4∙𝑁𝑁 1 + 1 4∙𝑁𝑁 2 . (3) Из (3) видно, что максимум N e достигается при N 1 = N 2 4. Инбридинг – близкородственное скрещивание, повышающее вероятность наличия идентичных гетерозиготных участков генов родителей и появления гомозиготных организмов не в результате естественного отбора. Это явление используется селекционерами для закрепления необходимых наследственных признаков при создании новых видов растений и животных. При отсутствии контроля экспериментатора инбридинг ведет к вырождению и гибели популяции, что подтверждается историей некоторых царствовавших династий. Для количественной оценки данного явления введено понятие коэффициента инбридинга: 𝑓𝑓 = 1 − (1 − 1 2𝑁𝑁 𝑒𝑒 ) 𝑚𝑚 , (4) где m – число поколений. Опыт животноводов показал, что плодовитость популяций падает при f > 0,5. Решая показательное уравнение (4) при заданном значении f, получим, что число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5*N e . Таким образом, снижение гетерогенности ведет к вымиранию популяции. Однако чрезмерный рост генетического разнообразия популяции приводит к утере популяцией способности генетического адаптирования к изменяющимся условиям окружающей среды. Для каждой популяции существуют некоторые оптимальные значения гетерозиготности, зависящие от ее численности, структуры, исходного генофонда, статических и динамических характеристик окружающей среды. Например, при длительной стабильности экологических факторов высокая гетерогенность популяции не требуется, а при изменении экологических факторов выживает наиболее гетерогенная популяция. Поэтому обитатели разных экологических систем обладают разной гетерогенностью. Например, у человека число гетерозиготных участков генов составляет около 20 %. Мутация является процессом, повышающим гетерогенность популяции. Мутагены – физические и химические экологические факторы, воздействие которых на живые организмы приводит к возникновению мутаций с частотой, превышающей уровень спонтанных реакций. К физическим мутагенам относят ультрафиолетовое излучение, повышенную и пониженную температуры, ионизирующие излучения (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и т. д.). Химическими мутагенами являются аналоги нуклеиновых кислот, чужеродные ДНК и РНК, алкалоиды и другие вещества. Устойчивость организмов к воздействию мутагенов различна. Вирусы в 3–1000 раз более стойки к ним, чем растения, а растения – в 2–800 раз по сравнению с теплокровными животными. В целом более высокоорганизованные особи менее стойки к воздействию мутагенов. Поэтому предельно допустимый уровень мутагенных биосферных воздействий нормируется на человека. Пример расчетов: Таблица 1 Исходные данные (пример) № варианта Реальный размер популяции Дисперсия числа потомков Колебания численности поколений Отношение числа самцов к числу самок 1 2 3 4 Пример 110 3 20 30 20 40 4 1. Эффективный размер популяции с учетом колебания числа потомков в семье в соответствии с выражением (1) равен 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 4 ∙ 𝑁𝑁 2 + 𝜎𝜎 = � 4 ∙ 110 2 + 3 � = 440 5 = 88. Коэффициент инбридинга может быть вычислен по формуле (4): 𝑓𝑓 = 1 − �1 − 1 2𝑁𝑁 𝑒𝑒 � 𝑚𝑚 = 1 − �1 − 1 2 ∙ 88� 4 = 1 − 0,98 = 0,02 Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N e = 1,5·88 = 132. По данным расчетам можно сделать вывод о том, что колебания числа потомков в семье снижает эффективный размер популяции, а значит и ее устойчивость к изменениям окружающей среды на 20 %. Несмотря на это, в течение времени, необходимого для смены 132 поколений, у данной популяции отсутствует угроза вымирания. 2. Эффективный размер популяции с учетом колебания численности поколений согласно формуле (2) определяется как 1 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 1 𝑁𝑁 1 + 1 𝑁𝑁 2 + ⋯ + 1 𝑁𝑁 𝑚𝑚 𝑚𝑚 = 1 20 + 1 30 + 1 20 + 1 40 4 = 0,15833 4 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 25,26. Коэффициент инбридинга определяется формулой (4): 𝑓𝑓 = 1 − �1 − 1 2𝑁𝑁 𝑒𝑒 � 𝑚𝑚 = 1 − �1 − 1 2 ∙ 25,26� 4 = 1 − 0,92 = 0,08 Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N e = 1,5 · 25,26 = 37,9. Угроза вымирания популяции возможна после смены 38- ми поколений. 3. Эффективный размер популяции с учетом неравного числа самцов и самок находится по выражению (3): 1 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 1 4 ∙ 𝑁𝑁 1 + 1 4 ∙ 𝑁𝑁 2 где N 1 – число самцов и N 2 – число самок, которые связаны выражением: � 𝑁𝑁1 / 𝑁𝑁2 = 4 𝑁𝑁1 + 𝑁𝑁2 = 𝑁𝑁 = 110 Решение данной системы уравнений дает N 2 = 22 и N 1 = 88. Подставив эти данные в (3), получим 1 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 1 4 ∙ 𝑁𝑁 1 + 1 4 ∙ 𝑁𝑁 2 = 1 88 + 1 352 = 0,0142 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 1 0,0142 = 70,4 Коэффициент инбридинга вычисляется по формуле (4): 𝑓𝑓 = 1 − �1 − 1 2𝑁𝑁 𝑒𝑒 � 𝑚𝑚 = 1 − �1 − 1 140,84� 4 = 1 − 0,97 = 0,03 Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N e = 1,5 · 70,42 = 105,63. Угроза вымирания популяции возможна после смены 106 поколений. 4. Из проведенных расчетов видно, что неодинаковое количество детей в семьях популяции и неравное число самцов и самок в популяции уменьшает ее эффективный размер, то есть снижает выживаемость популяции. Расчеты: Вариант: _____________________________________________________ 1. Эффективный размер популяции с учетом колебания числа потомков в семье равен 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = Коэффициент инбридинга в данном случае равен: 𝑓𝑓 = Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно 𝑚𝑚 = Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений. 2. Эффективный размер популяции с учетом колебания численности поколений равен 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = Коэффициент инбридинга в данном случае равен: 𝑓𝑓 = Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно 𝑚𝑚 = Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений. 3. Эффективный размер популяции с учетом неравного числа самцов и самок равен 𝑁𝑁 𝑒𝑒 = 18 98 47 65 0,03 97,5 31,17 0,06 46,8 124,8 При этом N 1 ( число самцов) = и N 2 (число самок) = Коэффициент инбридинга в данном случае равен: 𝑓𝑓 = Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно 𝑚𝑚 = Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений. 4. Выводы к работе: 188 После проведения всех расчетов была выявлена следующая закономерность : количество самцов и самок , стремящихся к равным значениям , увеличивают шанс выживания популяции , а неравное количество детей в семьях популяции наоборот уменьшают шанс выживания популяции 78 52 0,02 187,2 |