Контрольная работа по экологии

	( Желтым цветом выделен справочный материал)
	Задача № 1 ТЕМА: Методические подходы к изучению динамики популяций по кривым выживания ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ТЕМЫ Все живые организмы существуют только в форме популяций. В общем случае популяцией называют совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией. Популяция обладает не только биологическими свойствами составляющих ее организмов, но и собственными, присущими только группе особой в целом. Рождаемость, смертность, плотность населения и другие свойства могут иметь смысл только на групповом уровне. Основными экологическими характеристиками популяции считаются: - величина по занимаемому пространству и численности особей; - структура возрастная, половая, пространственная, экологическая и др.; - динамика. Под численностью популяции понимают эффективную величину численности, т.е. число размножающихся животных, которое всегда меньше общего числа особей, составляющих популяцию. Численность не произвольна, а изменяется в пределах определенного диапазона и зависит от постоянно действующих регулирующих экологических факторов. Все популяции стоят перед проблемой предела роста. Причина этого в том, что ни одна среда не может неопределенно долго поддерживать непрерывно увеличивающееся число особей. Хищничество, болезни, конкуренция за ресурсы управляют численностью популяции. Динамика численности популяции может быть описана моделью экспоненциального роста (рис.1) (возрастание величины, когда скорость роста пропорциональна значению самой величины), при котором увеличение в размере происходит на все большие величины в определенных интервалах времени (J-образная кривая роста). Однако этого не происходит, потому что природные условия не идеальны, а ресурсы ограничены. Максимальный размер популяции одного вида, который природная экологическая система способна поддерживать в определенных условиях неопределенно долго, называют емкостью экосистемы для данного вида. Когда численность популяции достигает или превышает пределы среды (емкость), скорость роста популяции постепенно снижается до нуля, а J-образная кривая начинает изгибаться и выходит на плато, принимая вид S-образной кривой. Такое изменение численности популяции описывается моделью логистического роста (рис. 2). Рисунок 1. Модели экспоненциального роста (Взять из литературы) Рисунок 2. Модель логистического роста. (Взять из литературы)   10.4. Модели роста популяций Экологи различают несколько моделей роста популяций (т.е. закономерностей изменения численности популяции при ее росте «от нуля»), главные из них - экспоненциальная и логистическая (рис. 21). Рис. 21. Модели роста численности популяций (по Дажо, 1975). О тенденции быстрого неограниченного увеличения числа особей вида в соответствии с его биотическим потенциалом знал уже К. Линней. Однако представления об экспоненциальном росте популяций в начале прошлого столетия сформулировал Т. Мальтус: число особей в популяции увеличивается в геометрической прогрессии. В качестве примера Мальтус привел гипотетический рост народонаселения страны при условии естественной смертности (при отсутствии эпидемий и войн). Представления о способности любой популяции к экспоненциальному росту является краеугольным камнем популяционной экологии. Способность популяций к экспоненциальному росту считается главным законом экологии, близким по значению к закону Ньютона в физике (П.В. Турчин). Модель экспоненциального роста описывается J-образной кривой, в условиях постоянного поступления ресурсов скорость роста популяции увеличивается и кривая взмывает вверх. Модель может быть описана уравнением: Nt = No е rt, в котором Nt - численность популяции через очередной промежуток времени (t), N o - исходная численность, е - основание натурального логарифма, r - коэффициент размножения (репродуктивный потенциал, разность относительной рождаемости и относительной смертности, т.е. число родившихся или умерших особей, отнесенное к числу особей популяции в начале промежутка времени t). Чтобы рост популяции соответствовал этой модели, величина коэффициента r должен быть постоянной, т.е. должно быть постоянным среднее количество потомков на одну особь (если r = 0, т.е. рождаемость равна смертности, то численность популяции не растет). В зависимости от величины r увеличение численности особей может быть быстрым и достаточно медленным. Ч. Дарвин рассчитал потенциальные возможности роста популяций разных организмов при реализации экспоненциальной модели. По его оценкам, число потомков одной пары слонов - животных, размножающихся чрезвычайно медленно, - через 750 лет достигнет 19 млн. Если же обратиться к организмам, живущим не так долго и размножающимся более быстро, то цифры будут еще более впе- чатляющими. У бактерий, которые делятся каждые 20 минут, из одной бактериальной клетки через 36 часов может образоваться биомасса, которая покроет весь земной шар слоем толщиной 30 см, а еще через 2 часа - слоем в 2 м. «Поскольку ни бактерии, ни слоны не покрывают землю сплошным слоем, очевидно, что на самом деле в природе экспоненциальный рост популяций организмов или не происходит вообще, или же происходит, но в течение непродолжительного времени, сменяясь затем спадом численности или выходом ее на стационарный уровень» (Гиляров, 1990, с. 77). В природе экспоненциальный рост численности популяций наблюдается в сравнительно кратковременные периоды их жизни при особо благоприятных условиях, когда постоянно пополняются ресурсы. Так, в озерах умеренных широт весной после таяния льда в приповерхностном слое воды содержится много биогенных элементов. По этой причине после прогревания воды наблюдается быстрый рост численности диатомовых и зеленых водорослей. Однако он также быстро прекращается, когда эти ресурсы оказываются израсходованными и, кроме того, зоопланктон начнет активно выедать водоросли (т.е. за счет регулирования плотности популяций «снизу» и «сверху»). Примеры кратковременного экспоненциального роста популяций фитофагов при отсутствии хищников рассмотрены в разд. 6.3.1. Однако крах популяций в результате их экспоненциального роста происходит не всегда. Если территория, пригодная для обитания популяции, достаточно велика, то она может осуществлять широкую экспансию и при этом длительное время увеличивать численность. Пример такого сценария экспоненциального роста - интродукция в Австралию европейских кроликов. В 1859 г. один фермер завез в Южную часть континента дюжину этих животных из Европы. В Австралии для них не оказалось видов-контролеров (хищников или паразитов), и численность кроликов стала расти в соответствии с экспоненциальной кривой. В итоге за 6 лет количество кроликов достигло 22 миллионов, к 1930 г. они расселились уже по всему континенту, а численность достигла 750 млн! Кролики конкурировали с овцами за корм (в итоге поголовье овец снизилось в два раза). Они лишали корма кенгуру. В начале 1950-х гг. удалось уничтожить 90 % кроликов, заразив их патогенным вирусом миксомы (родственником вируса оспы). Однако на этом «кроличья история» Австралии не завершилась: достаточно быстро произошел процесс формирования экотипа, устойчивого к болезни, и поголовье снова выросло. Логистическая модель роста популяций, описываемая S- образной кривой (медленный рост - быстрый рост - медленный рост), была предложена также в начале XIX столетия бельгийским математиком П.-Ф. Ферхюльстом, а затем уже в 1920-е гг. переоткрыта американскими учеными Р. Перлем и Л. Ридом. П.В. Турчин считает эту модель отражением закона «самоограничения роста любой популяции». Причины замедления роста популяции могут быть самыми различными: выедание ресурсов, влияние эффекта скученности (у грызунов при этом снижается интенсивность репродуктивного процесса), отравление местообитания прижизненными выделениями, выедание популяции хищниками, болезни и т.д. Тем не менее, и эта кривая является идеализацией, так как крайне редко проявляется в природе. Очень часто после того, как рост популяции выйдет на плато (достигнет предела, соответствующего количеству ресурсов), происходит внезапное уменьшение ее численности, а потом популяция вновь быстро растет. Таким образом, ее динамика оказывается состоящей из повторяющихся логистических циклов. Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте экспоненциальную модель роста популяции. 2. Почему модель экспоненциального роста редко наблюдается у природных популяций? 3. Из каких фаз состоит логистическая модель роста популяции   Переход от J-образной к S-образной кривой может быть плавным или может наблюдаться резкое падение численности популяции (коллапс популяции). Он возникает, когда численность размножающейся популяции превысит емкость экосистемы или когда изменения условий окружающей среды внезапно понижают емкость экосистемы. При этом огромное число особей, неспособных мигрировать в другие места, погибает. Под рождаемостью понимают численно выраженную способность популяции к увеличению. Рождаемость может быть нулевой, положительной, но не может быть отрицательной. Однако скорость роста может иметь любой знак. Смертность можно выразить в количестве особей, погибших за определенный период времени. Учитывая в тех или иных практических задачах численность популяции, мы всегда имеем дело с выжившими на данный момент времени особями. Поэтому выживаемость фактически и характеризует состояние популяции. Под выживаемостью следует понимать долю особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения. По основным демографическим параметрам составляют таблицы выживания, которые служат основой анализа и прогнозирования популяционной динамики. Для этого наблюдают группу особей и регистрируют возраст их гибели. По этим данным для каждого возрастного интервала вычисляют смертность и среднюю ожидаемую продолжительность жизни. Знание демографических показателей популяций необходимо для составления прогнозов динамики численности, а в популяции человека – для планирования организации медицинской помощи, социально-экономических программ. Кривая выживания представляет собой график зависимости от времени числа выживших на данный момент особей для некоторой начальной группы новорожденных. Каждому биологическому виду свойственна своя характерная кривая выживания. При построении графика по оси абсцисс откладывают относительный возраст, а по оси ординат – абсолютное число выживших особей или их процент от исходного числа по формуле: (Число выживших/Численность исходной популяции)х100% Различают три типа кривых выживания (рис. 3), которые показывают закономерность отмирания особей в популяции: Рисунок 3. Кривые выживания. (Взять из литературы) - Тип I – Подобная выпуклая кривая характерна для видов с малым влиянием на смертность факторов окружающей среды (человек, крупные млекопитающие, однолетние растения). Так же данная кривая характеризует высокий уровень медицинского обслуживания и лекарственного обеспечения населения. - Тип II – Почти прямая, чаще логистическая кривая, отражающая равномерную смертность во всех возрастах. Характерна для видов, производящих относительно защищенное потомство (птицы, рептилии). Данная кривая характеризует средний уровень медицинского обслуживания и лекарственного обеспечения населения. - Тип III – Вогнутая кривая, встречающаяся чаще всего, поскольку высокая смертность в ранних возрастах характерна для большинства видов в природе (беспозвоночные, рыбы). Так же данная кривая характеризует низкий уровень медицинского обслуживания и лекарственного обеспечения населения. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ На основании данных ситуационной задачи составить таблицу выживания для популяции. Построить кривую выживания. Для этого необходимо рассчитать показатели динамики популяции по соответствующим формулам: 1) Доля выживших особей до начала возрастного интервала х: lx=nx/n0 где: n0 –число особей начального возраста; 2) Число особей, погибших от начала интервала х до начала интервала х+1: dx= nx – (nx+1) 3) Смертность в интервале х: qx = dx/ nx 4) Среднее число особей, которые были живыми в интервале от х до х+1: Lx = (nx+ (nx+1))/2 5) Сумма живых особей: Tx= Σ Lx 6) Средняя ожидаемая продолжительность жизни в интервале х: Ex =Tx/nx 7) Чистая скорость воспроизведения популяции: R0=Σ (Lxmx)   - Построить кривую выживания популяции, определить ее тип.   - Сделать вывод о популяции по кривой выживания.   - Построить таблицу выживаемости популяции.   Оформление:   lx доля выживших dx число погибших / nx qx смертность Lx число живых Tx сумма живых Еx ожидаемая продолж. жиз. Ro скорость воспроизводства               и т.д.               10.1. Динамические характеристики популяций Плотность популяции регулируется четырьмя параметрами, устанавливаемыми в соответствующем масштабе биологического времени. Для бактерий он может быть равен одному часу, для планктонных водорослей - суткам, для насекомых - неделе или месяцу, для крупных млекопитающих (включая человека) - году. Все параметры вычисляются в пересчете на группу особей определенного объема (100 или чаще 1000 особей). Эти параметры следующие: 1) рождаемость - число родившихся особей; 2) смертность - число умерших особей (неважно, своей смертью или погибших, например, съеденных); 3) скорость иммиграции - число особей, появившихся в данной популяции из других популяций; 4) скорость эмиграции - число особей, покинувших данную популяцию. Формула изменения численности популяции выглядит следующим образом:   Все четыре показателя являются зависимыми от плотности популяции. (Независимыми от плотности популяций являются абиотические факторы, такие, как климат, рельеф и др.). При повышении плотности снижается рождаемость, увеличивается смертность, прекращается иммиграция и начинается массовое выселение особей из популяции, что для некоторых видов является генетически закрепленной особенностью поведения. Как правило, из родительской группировки молодые особи уходят «добровольно», однако иногда их приходится изгонять. Если плотность популяции низка, то происходят обратные процессы. Итогом динамических процессов является равновесие плотности популяции и сопротивления среды: количества ресурсов и плотности популяций видов следующего трофического уровня. Если пренебречь показателями иммиграции и эмиграции особей (их, как отмечалось, почти нет у растений), то можно оценить мгновенную скорость роста популяции., т.е. баланс между рождаемостью и численностью за единицу времени. У стабильных популяций мгновенная скорость роста равна нулю, у растущих - является положительным числом, у разрушающихся - отрицательным. Впрочем, даже у стабильных популяций продолжаются процессы циклических изменений численности (см. 10.5). Контрольные вопросы 1. Дайте определение четырем основным параметрам, определяющим динамику популяции. 2. Напишите формулу изменения численности популяции. 3. Что такое мгновенная скорость роста популяции? 10.2. Динамические и статические демографические таблицы Для изучения закономерностей динамики популяций составляются таблицы выживания. В этих таблицах строками отражаются классы возраста, а в столбцах показывается число особей, которые сохранились или погибли. Величина градаций классов зависит от продолжительности жизни изучаемых организмов (т. е. от биологического времени). Для человека используют интервал в 5 лет, для многих насекомых - одну неделю. Если есть возможность длительное время следить за динамикой вымирания особей в популяциях (регистрировать возраст наступления смерти всех членов одной возрастной когорты), то составляют динамические таблицы выживания (табл. 15). Таблица 15 Таблица выживания для барана Дала в Национальном парке Мак-Кинли (Аляска), построенная на основании данных о возрасте 608 особей к моменту смерти (по Риклефсу, 1979) Возрастной интервал, годы Число особей, погибших в данном возрастном интервале Число особей, доживших до конца возрастного интервала Доля выживших особей на 1000 рожденных (выживаемость) 0-1 121 608 1,000 1-2 7 487 0,801 2-3 8 480 0,789 3-4 7 472 0,776 4-5 18 465 0,764 5-6 28 447 0,734 6-7 29 419 0,688 7-8 42 390 0,640 8-9 80 348 0,571 9-10 114 268 0,439 10-11 95 154 0,262 11-12 55 59 0,096 12-13 2 4 0,006 13-14 2 2 0,003 14-15 0 0 000 Однако для долгоживущих или подвижных видов получить данные для построения динамических таблиц крайне трудно. По этой причине составляют таблицы выживания на основании краткосрочных наблюдений за смертностью во всех возрастных группах. Такие таблицы называются статическими., их пример - данные о демографии женской части населения Канады (табл. 16). Таблица 16 Статическая демографическая таблица женского населения Канады на 1980 г. (Krebs, 1985, по Гилярову, 1990) Возрастная группа Численность в каждой возрастной группе, чел. Число умерших в каждой возрастной группе за год, чел. Смертность в расчете на 1000 человек 0-1 173400 1651 9,52 1-4 685900 340 0,50 5-9 876600 218 0,25 10-14 980300 234 0,24 15-19 1 164100 568 0,49 20-24 1 136100 619 0,54 25-29 1 029300 578 0,56 30-34 933000 662 0,71 35-39 739200 818 1,11 40-44 627000 1039 1,66   45-49 622400 1664 2,67 50-54 615100 2574 4,18 55-59 596000 3878 6,51 60-64 481200 4853 10,09 65-69 413400 6803 16,07 70-74 325600 8421 25,86 75-79 235100 10029 42,66 80-84 149300 10824 72,50 85 и больше 119200 18085 151,70 Контрольные вопросы 1. Что такое таблица выживания? 2. Как составляется динамическая таблица выживания? 3. Как строится статическая демографическая таблица?

Кривые выживания

На основе таблиц выживания или статических демографических таблиц строят кривые выживания (рис. 20). Р. Перль предложил различать три типа таких кривых.

Кривая I типа (А, сильно выпуклая) соответствует ситуации, когда смертность ничтожно мала в молодом и среднем возрасте, но в старом возрасте быстро увеличивается и все особи погибают за короткий срок. К кривой этого типа приближается кривая выживания человека в развитых странах.
Кривая II типа (Б, диагональная) представляет ситуацию, когда во всех возрастных классах смертность особей одинакова. Такова динамика популяций многих рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.
Кривая III типа (В, сильно вогнутая) выражает другой случай - массовую гибель особей в начальный период жизни, а затем низкую смертность выживших особей. Ей соответствует возрастная динамика большинства видов деревьев: высока смертность всходов и происходит интенсивное самоизреживание молодых растений. Однако с возрастом интенсивность самоизреживания резко снижается, и постепенно древостой достигает «конечной плотности», которая отражает особенности биологии вида и условий среды. Она тем ниже, чем благоприятнее условия (выше бонитет насаждений, см. 9.2.1).

Рис. 20. Кривые выживания
(А, Б, В - типы кривых, N - число особей)

Контрольные вопросы

1. Расскажите о трех типах кривых выживания.
2. Приведите примеры популяций животных и растений, соответствующих разным кривым выживания.
3. К какому типу кривых выживания можно отнести демографические закономерности популяций человека?

Задача № 2

ТЕМА: Эколого-гигиеническая оценка почвы

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ПОЛОЖЕНИЯ ТЕМЫ

Гигиеническая оценка почвы проводится с целью определения ее качества и степени безопасности для человека, а также разработки мероприятий по снижению химических и биологических загрязнений.

Гигиенические свойства почвы во многом зависят от ее механического состава. С учетом размера частиц выделяют каменистую часть (диаметр частиц более 3 мм), песок (0,2-3 мм), глину (0,001-0,01 мм), коллоидную фракцию гумуса (меньше 0,0001 мм). Наиболее важное значение при механическом анализе почвы имеет определение процентного состава физической глины, физического песка и илистой фракции (Ø < 0,001 мм), от количества которых зависят физические свойства почвы. По соотношению этих фракций можно судить о степени загрязнения почвы, установить генетическое происхождение и агрономическую ценность, ее влагопроницаемость, влагоемкость, воздушный и тепловой режим и ряд других свойств. Так, увеличение фракции с размером частиц менее 0,01 мм сопровождается переходом почвы от песчаной к глинистой. При значительном содержании указанной фракции (более 75-80%) создается большое сопротивление почвы при фильтрации, она плохо аэрируется, плохо отдает воду и т. д. Увеличение фракции с размером частиц более 0,01 мм, наоборот, способствует хорошей фильтрации, отдаче воды, почва хорошо аэрируется, в ней интенсивно проходят процессы самоочищения (табл. 1).

Таблица 1

Классификация почв по механическому составу

Характер и степень загрязнения почвы может оказать влияние на качество лекарственных препаратов, полученных из растительного сырья. Высокое содержание токсических веществ в лекарственных растениях оказывает отрицательное влияние не только на биологическую активность препарата, но и непосредственно на организм человека.