close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Laba 3(1)

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Муромский институт (филиал)
федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
"Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых"
(МИ (филиал) ВлГУ) Кафедра "Техносферная безопасность"
УТВЕРЖДАЮ
Председатель методической комиссии МСФ
________________________ Л.П.Соловьев
"___" _________________ 20___ г.
Методические указания к лабораторной работе
по дисциплине "Экология"
Тема: "Исследование демографической структуры популяции"
Составитель:
Середа С.Н.
2013 г.
Тема: "Исследование демографической структуры популяции"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Ознакомление с понятием популяций, построение кривых роста численности популяций и кривых выживания видов.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
1.1. Кривые роста популяций
Популяция представляет собой группу организмов одного и того же вида, занимающих определенную территорию и обладающих особыми признаками, которые поддаются статистической обработке. Эти признаки - плотность, рождаемость, смертность, биотический потенциал, расселение и кривые роста - характерны для группы, а не для одной отдельно взятой особи.
В каждой экосистеме существует сумма внешних и внутренних факторов, под влиянием которых численность каждого вида устанавливается на каком-то среднем уровне, соответствующем пригодности и возможности среды.
Если поместить популяцию в стабильную среду, из которой искусственно удалить все факторы, ограничивающие ее рост, то численность популяции будет неограниченно возрастать по экспоненциальному закону как функция времени.
Обозначим через N0 и N количество особей популяции соответственно в моменты времени t0 и t. Введем показатель естественного прироста популяции R.
Последний представляет собой отношение числа особей, на которое увеличилась популяция за единицу времени, к начальному значению ее численности
R = N / N t (1.1) Когда в выражении (1.1) t  0, то R  r (r - норма, присущая естественному приросту, которая является константой экспоненциального роста рассматриваемого вида):
r = dN / Ndt (1.2)
или dN = rNdt (1.3)
Если проинтегрируем это выражение, то получим N = N0 ert (1.4) Итак, численность популяции изменяется во времени по экспоненциальному закону. Пусть N0 = 1 и t = 1 год, R - годовой прирост, тогда по прошествии одного года численность популяции будет N = 1+R, где 1 + R = er (1.5) или
r = ln (1+R). (1.6)
Как видно из выражения (1.6), при малых значениях показателя прироста, например, ниже 5% в год, можно полагать r  R
Скорость увеличения численности популяции, развивающуюся при отсутствии ограничивающих факторов, найдем из выражения (1.4), продифференцировав его по времени:
dN / dt = rN = rN0 eri , (1.7) что также является экспоненциальной функцией времени. Если графически изобразить функцию (1.4), то получим кривую, называемую кривой биотического потенциала (рис. 1.1). Она выражает максимальную плодовитость вида, которая возможна лишь при отсутствии ограничивающих факторов
время t
Рис. 1.1. Теоретические кривые роста численности популяции при наличии и отсутствии ограничивающих факторов Таков пример человеческого рода, зависимость численности которого от времени описывается экспонентой, во всяком случае вплоть до настоящего времени. Опыт показывает, что люди являются исключением: никакой другой вид животных не следует этому закону.
Известно, что среда оказывает тем большее сопротивление росту популяции, чем больше численность последней. В результате кривая роста численности приобретает S - образную форму, т.е. число особей асимптотически стремится к пределу, представляющему собой максимальную численность популяции, которую может поддержать окружающая среда. Это так называемая удельная биотическая загруженность среды К (см. рис. 1.1).
В отличие от теоретических кривых фактическая скорость роста dN/dt не увеличивается до бесконечности, а достигает максимума, после чего стремится к нулю.
Можно показать, что в таких условиях численность популяции N изменяется в зависимости от времени в соответствии с выражением
N = K / 1+e a-rt (1.8) где а = r / K. Отсюда видно, что с увеличением времени N  K
Кривая, описываемая этим уравнением, называется логистической (см. рис. 1.1). Можно заметить, что площадь, заключенная между кривой биотического потенциала J и логистической кривой S, показывает сопротивление среды росту популяции.
Можно ввести коэффициент сопротивляемости среды Rm, которая тем больше тормозит рост популяции, чем последняя многочисленнее, т.е.
Rm = 1- (K-N) / K (1.9) Если возьмем производную от выражения (1.8), то найдем скорость роста численности популяции:
dN / dt = rN (K-N) / K
когда N  K, в то время как Rm  0. В природе факторы, ограничивающие рост популяции, действуют весьма эффективно (исключая человека). Некоторые из них (абиотические) связаны с климатическими условиями: например, температура и влажность определяют число возможных обитателей на суше. Они косвенно влияют на продукты питания - основной ограничивающий фактор, регулирующий численность популяции. Оказывают влияние также и биотические факторы, такие, как наличие хищников, паразитизм, болезни и т.д.
В природе число особей каждого вида никогда не остается постоянным, а колеблется около среднего теоретического значения (предельная биотическая нагруженность среды). Такие колебания - проявление динамического равновесия и конкуренции внутренних и внешних факторов. Если внешние факторы влияют главным образом на показатель смертности m, то внутренние факторы влияют на рождаемость b.
Показатель r = b - m определяет демографические возможности каждого вида.
Показатель рождаемости b различен для каждого вида животных. Он регулируется главным образом эндогенными и генетическими факторами, связанными с эволюцией или генетикой вида. Конечно, такие экзогенные факторы, как климатические условия, питание и в некоторых случаях паразиты, могут влиять на плодовитость; вообще же она меняется в узких пределах, и всегда находится на уровне, близком к теоретическому оптимуму для рассматриваемого вида.
С другой стороны, смертность под влиянием внешних условий сильно колеблется и является определяющим фактором установления равновесия между числом особей каждого вида и возможностями окружающей среды. Для лучшего понимания демографической структуры популяции необходимо знать норму смертности и ожидаемую продолжительность жизни в различных возрастных классах, составляющих популяцию. 0б этом достаточно точное представление дают таблицы выживания и кривые выживания.
1.2. Экологические стратегии.
Константы r и K из логистического уравнения дали название двум типам естественного отбора. Приспособления организмов в конечном итоге направленны на повышение вероятности выжить и оставить потомство. Среди множества припособлений выделяется комплекс признаков, которые называются экологической стратегией. Это общая характеристика оста и размножения данного вида (темп роста особи, время достижения половозрелости, плодовитость, периодичность размножения и т. д.).
Экологическая стратегия зависит также и от особенностей вида, и от условий срды. Особенно большое влияние на стратегию роста и размножения оказывают факторы, которые вызывают смертность. Если смертность вызываетя резкими, непредсказуемыми изменениями абиотических факторов, обычно осущствляется неизбирательная элиминация (уничтожение) особей. При этом гибель той или иной особи не зависит от её особенностей.Такое влияние оказывают некоторые хищники, от которых трудно защищаться. Например, кукушка - фактор неизбирательной элиминции по отношению к опушенным гусеницам. В некоторых случаях основную роль играют другие факторы отбора: внутри- или межвидовая борьба за жизненные ресурсы, хищники. В этих условиях вероятность гибели зависит от качества особей.
Экологические стратегии очень разнообразны. Однако среди этого многообразия можно выделить два крайних типа, которые называются r-стратегией и К-стратегией: r-стратегия- это отбор на повышение скорости роста популяции в периоды её низкой плотности; К-стратегия возникает под воздействием отбора на повышение выживаемости при высокой плотности популяции, приближающейся к предельной.
Для r-стратегов характерно: быстрое достижение половозрелости, высокая численность мелких потомков, небольшие размеры особей, незначительная продолжительность жизни и тенденция к расселению (пример - стадная фаза у саранчи).
К-статеги медленно развиваются, характеризуются крупными размерами особей, обладающих значительной продолжительностью жизни, производят небольшое количество крупных потомков (одиночная фаза у саранчи).
В основном r-стратегия распространена среди организмов,которые обитают в среде с резкими и непредсказуемыми изменениями условий или в эфемерных (существующих очень короткий промежуто времени) местообитаниях, нпример в пересыхающих лужах. Численность в популяциях таких видов резко колеблится. В благоприятные периоды или при вселении в образовавшееся местообитание она быстро возрастает,а с наступлением неблагоприятных условий резко падает. При этом смертность не связана ни синдивидуальными особенностями, ни с плотностью популяции. В таких условиях отбор благоприятствует высокой скорости размножения. Однако благоприятный для размноженияпериод является очень коротким, и особям выгодно быстро достигать половозрелости.
Если условия среды стабильны или изменяются закономерно (например, в связи со сменой сезонов), в такой среде могут существовать популяции с постоянной численностью, которые полностью осваивают жизненные ресурсы. Чтобы дорости до зрелого состояния и приступить к размножению, молодые особи выдерживают острую конкуренцию. В таких условиях нецелесообразно затрачивать много ресурсов на продукцию большого количества потомков. Наоборот , выгодно иметь небольшое количество потомков, но конкурентноспособных. Поэтому для К-стратегов характерны забота о потомстве, отрождение небольшого количества крупных потомков или получение крупных семян и т.д.
Одну и ту же среду проживания разные группы организмов используют по-разному. Поэтому в одном и том же местопроживании часто существуют виды с r- и К-стратегией.
Между этими крайними стратегиями существует множество переходов. Ни один из видов не склонен только к r- или только к К-стратегии. Хотя представления о r- и К-стратегиях схематичны, они позволяют обноружить связь между разнокачествеными характеристиками популяций и условиями окружающей среды.
1.3. Построение таблицы выживания
В ряде случаев самый простой способ построения таблицы выживания - это подробное наблюдение за судьбой когорты, т.е. большой группы особей, где регистрируют возраст наступления смерти всех членов данной когорты. В первой графе таблицы выживания (демографической таблицы) указывают возраст, во второй - число доживших до этого возраста особей. В последующих графах - вычисленные (по данным первых двух граф) параметры (см. таблицу). Полный вариант таблицы содержит также сведения о распределении рождаемости по возрастам.
Начальный возраст выбирается условно - для птиц это момент откладки яиц или вылупление птенцов. Размер начальной выборки т.е. реального числа особей "нулевого возраста", за дальнейшей судьбой которых будут вести наблюдения, стараются сделать по возможности большим. В качестве примера построения таблицы рассмотрим данные Дж. Коннела, наблюдавшего в течение нескольких лет за когортой усоногого рачка Balanus glandula в приливно-отливной зоне одного из островов у северо-западного побережья США. Наблюдения были начаты в 1959 году (см. таблицу).
Чтобы рассчитать ожидаемые продолжительности жизни, необходимо узнать среднее число особей, которые были живыми в течение интервала x до x+1, это Lx:
Lx = (nx + nx+1) / 2. Сумма значений Lx от конца таблицы до какого-либо возрастного интервала х, Xmax т.е. Tx =  Lx, -
X это промежуточная величина, необходимая для расчета средней ожидаемой продолжительности жизни ex, особей возраста x. Данная величина рассчитывается, как ex = Tx / nx
Необходимо обратить внимание на то, что величина ожидаемой продолжительности жизни меняется с возрастом, причем сначала она возрастает (из-за того, что очень много особей погибает в раннем возрасте, в течение первых двух лет), а затем падает.
Приведенная таблица выживания балянусов относится к типу так называемых "динамических", поскольку построена по данным наблюдений за динамикой смертности в одной когорте.
Таблица выживания усоногого ракообразного Balanus glandula (по данным Коннела)
Возраст х,
годыЧисло особей в момент учета nxДоля особей, доживших до начала возрастного интервала x
lx = nx/n0 Число особей, погибших от начала возрастного интервала x до начала интервала х+1(dx)
dx= nx- nx+1LxTxСмертность в интервале
x(qx) gX==Ожидаемая продолжительность жизни особей ex доживших до начала интервала x01421,000801022240,5631,581620,43728481220,4521,972340,2391427740,4122,183200,1414,517,75470,2252,35415,50,1094,513,2529,250,2901,895110,0774,58,75160,4091,4566,50,0464,54,257,250,6921,12720,0140230,01,50820,0142111,0000,50900,0-00--
1.3. Кривые выживания
Если построить график зависимости доли особей, доживших до начала возрастного интервала x (lx) от возраста x, то получим кривую выживания.
Каждому виду свойственна своя кривая выживания, форма которой зависит отчасти от смертности неполовозрелых особей. Типичные примеры приведены на рис. 1.2.
Большинство животных и растений подвержено старению, которое проявляется в снижении жизненности с возрастом после периода зрелости. Как только начинается старение, вероятность наступления смерти в определенный промежуток времени возрастает. Непосредственные причины смертности могут- быть разными, но в основе их лежит уменьшение сопротивляемости организма к действию неблагоприятных факторов. Кривая А на рисунке очень близка к идеальной кривой выживания для популяции, в которой старение служит главным фактором, влияющим на смертность. Примером могут быть популяции человека в современной развитой стране с высоким уровнем медицинского обслуживания и рациональным питанием.
Выживание, %
Возраст Рис. 1.2. Три типа кривых выживания
Кривая Б характерна для популяций организмов с высокой смертностью в ранний период, такие кривые с небольшими вариациями самые распространенные в животном и растительном мире.
Плавная кривая В может быть получена, если смертность постоянна в течение всей жизни организмов. Это может быть тогда, когда главным фактором, определяющим смертность, становится случай, причем особи гибнут до начала заметного старения.
Существуют небольшие внутривидовые различия в кривых выживания. Они могут быть обусловлены разными причинами и нередко связаны с полом. У людей, например, женщины живут несколько дольше, чем мужчины, хотя точные причины этого неизвестны.
Вычерчивая кривые выживания и строя таблицы выживания для различных видов, можно определять, в каком возрасте данный вид наиболее уязвим. Установив причины смерти в этом возрасте, можно понять, как регулируется численность популяции.
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ РАБОТЫ
Каждый студент должен выполнить четыре задания согласно своему варианту.
Задание 1
Популяция млекопитающих численностью 5170 особей заселяет территорию 1000 га. Пригодная для обитания площадь составляет 40 %. Минимальная территория на одну особь - 500 м2 .
Общий вес особей - 451,5 кг.
Необходимо вычислить следующие параметры популяции:
1) Среднюю и экологическую плотность популяции; 2) Среднюю биомассу популяции;
3) Минимальную площадь необходимую для всех особей популяции; 4) Процент насыщения среды; 5) Удельную биотическую ёмкость среды;
6) Биомассу популяции при полном насыщении территории.
Дать прогноз на будущее популяции и практические рекомендации по ее использованию.
Задание 2
Пользуясь данными, выданными преподавателем, по результатам наблюдения за численностью различных видов, построить таблицу выживания и кривую выживания, сделать выводы об изменении смертности и продолжительности жизни по возрастам. К какому типу относится полученная кривая выживания?
Вариант 1.1 Численность песца (Alopex lagopus).
Возраст, x, годы0123456789Число особей в момент учета, nx30020818318015270442120Вариант 1.2 Численность полярной совы (Nyctea scandiaca).
Возраст, x, годы0123456789101112Число особей в момент учета, nx1006460554944403634231580Вариант 1.3 Численность канареечного вьюрка (Serinus canaria).
Возраст, x, годы0123456789Число особей в момент учета, nx120110979071646035150
Вариант 1.4 Численность индийского лотоса (Nelumba nucibera).
Возраст, x, годы01234567Число особей в момент учета, nx564847454038200Вариант 1.5 Численность поденок (Ephemeroptera).
Возраст, x, дни00.511.522.533,5Число особей в момент учета, nx30292828272520Вариант 1.6 Численность полевок (Clethrionomus).
Возраст, x, месяцы0123456789101112Число особей в момент учета, nx560550537476435401383350298244100980
Вариант 1.7 Численность лосей Возраст, x, годы012345678910111213Число особей в момент учета, nx1301281201111101091081001009591745024Вариант 1.8 Численность озимой ржи на сельскохозяйственном поле Возраст, x, месяцы0123456789Число особей в момент учета, nx105001000099749900900588508830883088000Вариант 1.9 Численность дуба (Quercus).
Возраст, x, годы0102030405060708090100110120130Число особей в момент учета, nx105104104104100100100100989880605849Вариант 1.10 Численность капустной моли (Plutella maculipennis).
Возраст, x, месяцы00.511.522.533.544.555.566.5Число особей в момент учета, nx3530282725221815151310840
Вариант 1.11 Численность зайца русака Возраст, x, годы012345678910Число особей в момент учета, nx979086797263393017100Вариант 1.12 Численность растений пшеницы на сельскохозяйственном поле Возраст, x, месяцы00,511,522,53Число особей в момент учета, nx1190011000110001095010900109000Вариант 1.13 Численность личинки падальной мухи в трупе умершего животного Возраст, x,недели012345678910Число особей в момент учета, nx737070686860554032230 Задание 2
Ниже приведены данные (по вариантам) о среднем числе оплодотворенных яиц, производимых в течение всей жизни самками различных животных: Устрица 100*106 Треска 9*106 Камбала 35*104 Лосось 10*104 Мышь 50 Акула 20 Пингвин 8 Слон 5
В соответствии со своим вариантом небходимо определить:
а) Сколько оплодотворенных яиц от одной самки в среднем должно выжить, чтобы численность популяции каждого из перечисленных видов оставалась постоянной?
б) Напишите для каждого вида число потомков, которые должны погибать до наступления половой зрелости, чтобы численность популяции не изменялась. Затем выразите это число в виде процента от общего числа оплодотворенных яиц (это даст величину смертности в дорепродуктивный период ).
в) Объясните, почему плодовитость акулы намного меньше, чем у других рыб, данные для которых приведены в таблице.
Задание 3.
Варианты 3.1 - 3.15. Приводимые ниже средние цифры относятся к нерке - рыбе из семейства лососевых, обитающей в реках Канады. Осенью каждая самка откладывает 3200 икринок на гравий в мелких местах. Следующей весной 640 мальков, выведшихся из отложенной икры, выходят в озеро вблизи отмели; уцелевшие 64 серебрянки (мальки постарше) живут в озере один год, а затем мигрируют в море. Две взрослые рыбы (уцелевшие из числа серебрянок) возвращаются к местам нереста спустя 2,5 года: они нерестятся и умирают. Подсчитайте процент смертности для нерки в каждом из следующих периодов:
а) от откладки икры до переселения мальков в озеро спустя шесть месяцев; б) за 12 месяцев жизни в озере;
в) за 30 месяцев от выхода из озера до возвращения к местам нереста.
Нарисуйте кривую выживания нерки в этой водной системе. Какова величина дорепродуктивной смертности среди этих лососевых?
Задача 4. Как через три года измениться численность популяции рыб из N особей, если ежегодно отлавливается N0 особей, а рождаемость составляет r % от числа популяции? Постройте зависимости изменения N, N0 и Nr - численность ежегодного прироста и дайте характеристику устойчивости экосистемы.
Таблица - Величины N, N0 и r
Вариант123456789101112N, ед100010000500010000070000200090006000500002000030007000N0, ед2001500100100001500130130012001100800900180r ,%10758131467129108
Задание 5
Варианты 5.1 - 5.15. В популяции какого типа А или Б (рис.1.2 ) нужна большая скорость размножения для поддержания стабильной численности? Объясните ваш выбор.
3. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать:
* цель работы;
* необходимые теоретические сведения;
* вариант каждого задания и его выполнение;
* вывод по результатам выполнения каждого задания;
* общий вывод по итогам работы и ее содержанию.
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение популяции.
2. Что такое удельная биотическая загруженность среды?
3. В чем разница между кривой биотического потенциала и логистической кривой?
4. Что такое сопротивление среды и как оно зависит от численности популяции?
5. От каких параметров зависит численность популяции?
6. При каких условиях численность популяции будет расти, будет убывать или будет оставаться стабильной?
7. Что характеризует кривые выживания? Опишите три основных типа кривых выживания.
8. Что такое плодовитость? Как этот параметр регулируется внешними (биотическими и абиотическими) и внутренними факторами?
9. Что такое экологические стратегии? Расскажите их суть.
10. Что такое смертность?
5. ЛИТЕРАТУРА
1. Воронков Н.А. Экология общая, социальная, прикладная. Учебник для студентов высш. учеб. заведений. Пособие для учителей. М.: Агар, 2000.
2. Акимова Т.А. Хаскин В.В., Экология. Человек - Экономика - Биота - Среда. Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
1
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
1 252
Размер файла
263 Кб
Теги
laba
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа