Организм и среда. Взаимодействие экологических факторов

Цель: Изучить совместное воздействие на организмы двух экологических факторов. Научиться пользоваться биоклимограммами и определять оптимальные и лимитирующие значения факторов для организмов.

Вопросы для самостоятельного изучения

1) Что называется биологическим оптимумом? Сформулируйте закон оптимума и приведите примеры его действия.

2) В чем биологический смысл законов минимума и толерантности? Что такое лимитирующий фактор? Приведите примеры.

3) Что такое экологическая пластичность? Дайте определение эврибионтных и стенобионтных видов? Приведите примеры.

Теоретическое введение

В природных условиях на организм всегда действует большое число факторов и действие одного почти всегда изменяется под влиянием другого. Всем известно, что жару легче переносить в сухом, а не во влажном воздухе, и мороз чувствуется сильнее при сильной влажности или ветре, потому что влажность и ветер влияют на теплопередачу из среды в организм. Значит, графики зависимости жизнеспособности от температуры придется строить отдельно для разных условий влажности. Подобное явление наблюдается и при исследовании других экологических факторов.

Взаимодействие факторов выражается в том, что оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо одному фактору могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. При совместном действии экологических факторов может наблюдаться синергизм, то есть взаимное усиление, когда эффект суммы больше, чем сумма эффектов. Таково, например, действие некоторых комплексных удобрений, инсектицидов или антибиотиков. Некоторые сочетания могут проявлять антагонизм, то есть взаимное ослабление действия экологических факторов.

Задания

Задание 1 Рассмотрите биоклимограмму для куколок яблоневой плодожорки (рисунок 1), т.е. представленную графически зависимость смертности вида от климатических условий. Внутри области, ограниченной кривой 100% в любой точке хотя бы часть особей данного вида может выжить, а на кривой и снаружи от нее они погибают полностью. Внутри области, ограниченной кривой 100% в любой точке хотя бы часть особей данного вида может выжить, а на кривой и снаружи от нее они погибают полностью. Внутри области, ограниченной кривой 100% в любой точке хотя бы часть особей данного вида может выжить, а на кривой и снаружи от нее они погибают полностью. Где, по Вашему мнению, должны находиться точки, в которых гибель достигнет только 50%? 5%?

Относительная влажность (%)

Рисунок 1 Биоклимограмма куколок яблоневой плодожорки

Охарактеризуйте оптимум данного вида по температуре и влажности. Определите, каковы пределы выносливости данного вида к климатическим факторам.

Задание 2 Определите, в каком из районов выше опасность массового размножения яблонной плодожорки: там, где средние летние температуры равны 20-22⁰С, а относительная влажность 60-70%, или в районе со средними летними температурами 30-32⁰С и влажностью 30-40%?

Задание 3 Определите, какой фактор будет лимитировать развитие вредителя в точках с координатами:

а) влажность 20%, температура 25⁰С;

б)влажность 80%, температура 25⁰С;

в) влажность 90%, температура 40⁰С.

Задание 4 Постройте на одних координатных осях (рисунок 2) два графика зависимости смертности плодожорки от температуры, соответствующие двум разным условиям влажности (70 и 40%), используя рисунок 1 и прозрачную линейку. Объясните, в чем графики отличаются друг от друга. Есть ли смещение участков кривой, соответствующих зоне оптимума, пределам выживания? Сделайте вывод, взаимодействия каких экологических факторов Вы выявили?

Смертность (%)
100- 80- 60- 40- 20- 10-

0 10 15 20 25 30 35

Температура ⁰С

Рисунок 2 Графики зависимости смертности куколок плодожорки

от температуры при двух уровнях влажности

Контрольные вопросы

1) В теплице, где выращивалась рассада при оптимальных температуре и влажности, произошла авария на водопроводе и прекратилась подача воды. Ремонт поломки займет 2 дня. Агроном распорядился ограничить подачу тепла в теплицу. Правильно ли он поступил?

2) У городского воробья в умеренных широтах нижняя критическая температура в январе равна –25⁰С, а в августе – всего 0⁰С. Чем это можно объяснить?

3) Мелкие мучные клещи, размножаясь в зернохранилищах, могут привести зерно в полную негодность. При оптимальной температуре +20-22⁰С развитие яиц клеща длится 3-4 дня, при +10⁰С оно растягивается до полутора месяцев. Температуры выше 45-50⁰С клещи не переносят. Они погибают также при влажности зерна ниже 10-12% из-за сухости и выше 70% из-за развития плесневых грибков. Предложите, как избавиться от клещей и сохранить зерно, не прибегая к ядохимикатам.

4) Почему центральные районы океана малопродуктивны и их часто называют океанической пустыней? Какой фактор лимитирует там развитие жизни?

5) Благодаря созданию своего микроклимата в жилище человек может работать в разных температурных условиях, вплоть до космической стужи. Значит ли это, что температура не является лимитирующим фактором для человечества?

6) Применим ли закон оптимума к действию сильных ядов?

 

Практическое занятие 3

Популяция (Решение задач)

Цель работы: Изучить способы учета численности популяций и расчета влияние на нее различных экологических факторов.

Теоретическое введение

Численность – это общее число особей в популяции. Плотность популяции – это число особей данного вида, приходящееся на единицу площади или объема (для водных видов). Для многочисленных, неравномерно распределенных объектов, например, тлей, часто вместо плотности определяют встречаемость, т.е. долю растений или проб, где присутствует данный вид. Различают среднюю плотность, т. е. численность, приходящуюся на единицу всего пространства, обитаемого и необитаемого, и экологическую плотность, т.е. численность или биомассу, приходящуюся на единицу доступной площади, которая может быть занята популяцией

Прямые методы определения величины популяции. Сосчитать всю популяцию возможно лишь в редких случаях, если вид живет открыто на весьма ограниченной территории. Для этого применяют тотальный (сплошной) учет. Можно посчитать все липы в городском парке, всех моржей на небольшом лежбище, с вертолета заметить всех сайгаков в степи и т.д.

В большинстве случаев полный подсчет слишком трудоемок и пользуются методом пробных площадок. Их вразброс располагают по всему ареалу популяции, на них проводят тотальный учет, а затем результаты пересчитывают на всю площадь.

Интересным, но реже используемым является метод мечения. Он заключается в том, что животных, отлавливают, каким-то способом метят и выпускают обратно в популяцию. Когда пройдет достаточно времени, чтобы меченые особи хорошо перемешались с остальными, проводят повторные учеты, подсчитывая сколько немеченых животных приходится на 1 меченное. Поскольку число меченых известно, составив пропорцию, нетрудно определить численность всей популяции.

Если трудно определить абсолютное значение численности, для сравнения разных популяций можно использовать косвенные показатели обилия, например, число следов, гнезд, нор, число животных или птиц, встреченных в течение часа, число рыб, пойманных при 1 забросе сети, насекомых - при 1 взмахе сачка или в 1 ловушку, число шкурок пушного зверя, сданных за 1 год в заготконтору и т.д. Их можно использовать вместо прямого определения плотности, если известно, что они коррелируют с действительной численностью.

Задачи

1) При маршрутном учете имаго (взрослых особей) вредной черепашки агроном осматривает колосья на полосе шириной 2 м. Пройдя 100 м по полю, он насчитал 25 клопов-черепашек. Какова плотность вредителя на этом поле?

2) Определите встречаемость злаковой тли, если из 300 учетных растений ячменя заселенными оказались только 25?

3) Если из 100 пробных площадок в лесу, всходы клена обнаружены только на 20, какова будет его встречаемость?

4) В начале сезона было помечено 1 000 рыб. В ходе последующего лова в общем вылове из 500 рыб обнаружилось 35 меченых. Какова была численность популяции перед началом промысла?

5) В заповеднике было помечено 200 птиц. В ходе последующих учетов из 60 пойманных птиц обнаружилось 12 меченых. Какова была исходная численность популяции?

6) В пахотной почве число дождевых червей, обнаруженных на восьми учетных площадках размером 50х50 см каждая, составляло 80 экземпляров. После применения гербицида – химического средства борьбы с сорняками – сделали учеты на десяти таких же площадках и обнаружили в сумме 25 червей. Какова плотность популяции в расчете на 1 м² до и после использования гербицида? Какова смертность червей в результате обработки?

7) В пруде площадью 2 га обитало 2000 карпов. Как изменилась экологическая плотность рыб, когда летом пруд пересох вдвое?

8) В городе с населением 10 000 человек за год родилось 400 детей. Удельная рождаемость составила: а) 0,04; б) 0,4; в) 0,8. (Выберите правильный ответ)

9) Популяция из 50 простейших за сутки увеличилась до 1000. Общая рождаемость составила: а) 950 особей в сутки, б) 1000 особей в сутки, в) 1050 особей в сутки. (Выберите правильный ответ)

10) Популяция из 50 простейших за сутки увеличилась до 1000. Удельная рождаемость составила: а) 19, б) 20, в) 1000. (Выберите правильный ответ)

11) Популяция птиц максимально могла отложить 600 яиц. Вывелось 360 птенцов. Какова экологическая рождаемость? Ответ: а) 600, б) 360, в) 240. (Выберите правильный ответ)

12) На одном из участков растения кормового злака – полевицы тонкой – распределялись по возрастному состоянию следующим образом: проростки 73, молодые – 9, взрослые плодоносящие – 16, старые – 2. Через четыре года возрастной состав полевицы на этом же участке был соответственно 0, 3, 30, 60. Постройте возрастные пирамиды в первом и втором случае. Как изменилась популяция за этот период? Что можно сказать о длительности жизни этого растения?

13) В одном из степных заповедников насчитывалось 370 особей сурков-байбаков, распределявшихся по возрасту следующим образом: новорожденных – 118, годовалых – 49, двухлетних – 50, трехлетних и старше – 153. Спустя два года на участке было 488 особей, и среди них новорожденных 122, годовалых – 83, двухгодовалых – 78, остальные старше. Изменилась ли возрастная структура популяции? Какова смертность молодых особей за этот период?

14) В нижнем течении р. Лена осетры приступают к размножению в 12-14 лет при средней длине тела 70 см, а на р. Алдан - в 10-12 лет при средней длине тела 58 см. Промысловая мера, т.е. минимальных размер особей, разрешенных к отлову, составляет 62 см. Что произойдет с данными популяциями осетра, если в результате интенсивной добычи будут вылавливаться все особи крупнее этих размеров?

15) Рассмотрев таблицу 3, сделайте вывод о состоянии популяции трески в Баренцевом море в 50-е и в 80-е годы. Какой прогноз можно сделать о состоянии популяции при тех же масштабах вылова, если известно, что репродуктивный возраст трески в этом море - 8-10 лет.

Таблица 3 Возрастная структура популяции и вылов трески

Возраст рыб в годах	Улов трески в млн. экземпляров
50-е годы	80-е годы
3-5
6-10
11-15
16-20

16) Ежегодная рождаемость популяции составляет 1000 особей. Ежегодная смертность – 30%. Рассчитайте, до какого возраста могут дожить особи одного поколения. Постройте график. Определите тип кривой выживания.

17) Вам надо определить плотность одного из видов травянистых растений. От чего зависит, сколько пробных площадок Вам придется заложить? Влияет ли на это число распределение особей в пространстве? Если влияет, то как?

18) Рассчитайте смертность во время спячки в двух популяциях малого суслика. В первой из них плотность популяции перед впадением в спячку составляла 160 зверьков на 1 га, выжило 80, во второй – соответственно 90 и 56. На каком участке смертность оказалась выше и чем можно это объяснить, если принять во внимание, что запас кормов, приходящихся на гектар, на обоих участках был одинаков?

19) При последней обработке амбарного вредителя карбофосом было обнаружено, что в популяции появился 1% устойчивых особей. Рассчитайте, как изменится численность чувствительного и устойчивого экотипов, если исходная численность вредителя 1000 особей, и вы проведете еще 2 обработки данным инсектицидом. Удельная рождаемость в промежутках между обработками равна 10, а смертность чувствительного экотипа при обработке равна а) 99%, б) 90%. Выгодна ли в данном случае высокая эффективность? Можно ли предложить более перспективную тактику?

20) В таблице 4 приведены данные по росту численности (N) популяций двух видов птиц после их вселения в новую среду обитания. Постройте графики роста первой и второй популяций. Определите типы кривых роста.

Таблица 4 Рост численности популяций двух видов птиц

Годы
N попул. 1
N попул. 2

21) В результате самоизрежевания елей в густых посадках число деревьев на 1 га составляло: в 20-летних насаждениях – 6720, в 40-летних – 2380, в 60-летних 1170, в 80-летних 755, в 100-летних – 555, а в 120 летних 465. Начертите график уменьшения стволов елей в лесу при увеличении возраста. Рассчитайте площадь, приходящуюся на одно дерево в разном возрасте. В какой период самоизрежевание деревьев происходит наиболее интенсивно? Не стоит ли заранее высаживать ели разреженно? Объясните, почему.

22) Из девяти миллионов икринок, выметываемых во время нереста одной самки трески, только два малька вырастают до взрослой особи. Почему? Изобразите кривую выживания, характерную для популяции трески.

23) Сто лет назад в Австралию завезли 5 кроликов, через десятилетие численность кроликов перевалила через миллион. Почему это произошло? К какому типу роста относится такое увеличение численности кроликов?

24) Обыкновенная жаба откладывает до 7 тысяч икринок, а жаба-повитуха всего 150 икринок, заключенных в 2 четко образованных шнура, которые самец наматывает изнутри на задние лапы и носит на себе, пока не придет время вылупления головастиков. Почему так резко отличается количество икринок у жабы обыкновенной и жабы-повитухи? К какому типу, r-или К-стратегам, они относятся?

25) В теории и практике лесоразведения два подхода. Первый из них – создание одновозрастных культур рядами, по типу пшеничного поля. Он требует меньше первоначальных затрат. Второй, более трудоемкий, – создание разновозрастных культур со сложной пространственной мозаикой. Какой из методов выбрали бы вы?

Контрольные вопросы

1) Объясните, какими показателями можно охарактеризовать величину популяции. Охарактеризуйте прямые и косвенные методы учета численности. Приведите примеры учета численности растительных и животных организмов разными методами.

2) Определите важнейшие динамические характеристики популяции: рождаемость и смертность (абсолютная, удельная, физиологическая, экологическая), выживаемость, биотический потенциал.

3) Какой может быть структура популяции (возрастная, половая, пространственная, этологическая)?

4) Охарактеризуйте кривые выживания, характерные для разных групп организмов.

5) Как устанавливают нормы добычи ценных видов животных, чтобы не подорвать их ресурсы?

6) Когда в природе наблюдается экспоненциальный рост численности и долго ли он может продолжаться? Что включает в себя понятие сопротивление среды?

 

Практическое занятие 4