Урок биологии "Популяция и её характеристики".
план-конспект урока (биология, 11 класс) по теме

Тема: « Популяции и их характеристики»

Технологическая карта занятия

Цели:

- образовательные: сформировать знания о популяциях;  изучить их свойства, структуру, демографические показатели;

 - развивающие: способствовать развитию речи, навыков самостоятельной работы, коммуникативных способностей учащихся;

- воспитательные: воспитывать у учащихся понимание практической значимости экологических знаний.

Вид занятия: лекция с элементами беседы и самостоятельной работы.

Из программы: понятие популяции. Типы популяций. Пространственная, возрастная, половая структура популяций. Использование демографических показателей популяций в сельском и лесном хозяйстве, в промысле, в медицине и эпидемиологии. Типы динамики численности популяций разных видов.

подготовка рефератов и сообщений по  теме.

Темы рефератов и сообщений:  «Популяции и виды, сходство и различия. Роль в природе», «Структура популяции, типы и формы взаимоотношений в популяциях».

Объяснение нового материала – лекция:

ПОПУЛЯЦИЯ - элементарная группировка особей одного вида, занимающая определенную территорию и обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей стабильности длительное время в меняющихся условиях среды.  Это - определение С.С. Шварца, он определял популяцию с эвлоюционно-экологических позиций. В то же время есть немало определений понятия "популяция" с точки зрения генетики, экологии. Например, определение Николая Федеровича Реймерса: ПОПУЛЯЦИЯ - это совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство, с относительно однородными условиями обитания.

ПРИМЕРЫ. Одна из нескольких стай рыб одного вида в озере; микрогруппировки ландыша  в березняке, растущие у оснований деревьев и на открытых местах; куртины деревьев одного вида (дуба монгольского, лиственницы, и др.), разобщенные лугами, куртинами других деревьев или кустарников, или болотцами.

Экологическая популяция – совокупность элементарных популяций, внутривидовые группировки, приуроченные к конкретным биоценозам. Обмен генетической информацией между ними происходит достаточно часто.

ПРИМЕРЫ. Рыбы одного вида во всех стаях общего водоема; древостои в монодоминантных лесах, представляющих одну группу типов леса: травяных, лишайниковых или сфагновых лиственничников; популяции белок в сосновых, елово-пихтовых и широколиственных лесах одного района.

Географическая популяция – совокупность экологических популяций, заселивших географически сходные районы. Географические популяции существуют автономно, ареалы их относительно изолированы, обмен генами происходит редко – у животных и птиц – во время миграций, у растений – при разносе пыльцы, семян и плодов. На этом уровне происходит формирование географических  разновидностей, выделяются подвиды.

ПРИМЕРЫ. Известны географические расы лиственницы даурской: западная (к западу от Лены и восточная, северная и южная расы лиственницы курильской. Аналогично у березы каменной выделение двух подвидов: березы Эрмана и шерстистой . У вида "белка обыкновенная" насчитывается около 20 географических популяций, или подвидов.

Основные характеристики популяций

Численность и плотность – основные параметры популяции. Численность – общее количество особей на данной территории или в данном объеме. Плотность – количество особей или их биомасса на единице площади или объема. В природе происходит постоянные колебания численности и плотности.

Динамика численности и плотности определяется в основном рождаемостью, смертностью и процессами миграции. Это показатели, характеризующие изменение популяции в течение определенного периода: месяца, сезона, года и т.д. Изучение этих процессов и причин их обусловливающих очень важно для прогнозов состояния популяций.

Рождаемость различают абсолютную и удельную. Абсолютная рождаемость – это количество новых особей, появившихся за единицу времени, а удельная – то же самое количество, но отнесенное к определенному числу особей. Например, показателем рождаемости человека служит число детей, родившихся на 1000 человек в течение года. Рождаемость определяется многими факторами: условиями среды, наличием пищи, биологией вида (скорость полового созревания, количество генераций в течение сезона, соотношение самцов и самок в популяции).

Согласно правилу максимальной рождаемости (воспроизводства) в идеальных условиях в популяциях появляется максимально возможное количество новых особей; рождаемость ограничивается физиологическими особенностями вида.

ПРИМЕР. Одуванчик за 10 лет способен заполонить весь земной шар, при условии, что все его семена прорастут. Исключительно обильно семеносят ивы, тополя, березы, осина, большинство сорных растений. Бактерии делятся каждые 20 минут ив течение 36 часов могут сплошным слоем покрыть всю планету. Очень высока плодовитость у большинства видов насекомых и низка у хищников, крупных млекопитающих.

Смертность, как и рождаемость, бывает абсолютной (количество особей, погибших за определенное время), так и удельной. Она характеризует скорость снижения численности популяции от гибели из-за болезней, старости, хищников, недостатка корма, и играет главную роль в динамике численности популяции.

Различают три типа смертности:

- одинаковый на всех стадиях развития; встречается редко, в оптимальных условиях;

- повышенная смертность в раннем возрасте; характерна для большинства видов растений и животных (у деревьев к возрасту зрелости доживает менее 1% всходов, у рыб – 1-2% мальков, у насекомых – менее 0,5% личинок);

- высокая смерть в старости; обычно наблюдается у животных, чьи личиночные стадии проходят в благоприятных мало изменяющихся условиях: почве, древесине, живых организмах.

Стабильные, растущие и сокращающиеся популяции. Популяция приспосабливается к изменению условий среды путем обновления и замещения особей, т.е. процессами рождения (возобновления) и убывания (отмирания), дополняемыми процессами миграции. В стабильной популяции темпы рождаемости и смертности близки, сбалансированы. Они могут быть непостоянны, но плотность популяции незначительно отличается от какой-то средней величины. Ареал вида при этом ни увеличивается, ни уменьшается.

В растущей популяции рождаемость превышает смертность. Для растущих популяций характерны вспышки массового размножения, особенно у мелких животных (саранча, 28-точечная картофельная коровка, колорадский жук, грызуны, вороны, воробьи; из растений – амброзия, борщевик Сосновского в северной республике Коми, одуванчик, прилипало гималайское, отчасти – дуб монгольский). Нередко растущими становятся популяции крупных животных в условиях заповедного режима (лоси в Магаданском заповеднике, на Аляске, олень пятнистый в Уссурийском заповеднике, слоны в национальном парке Кении) или интродукции (лось в Ленинградской области, ондатра в Восточной Европе, домашние кошки в отдельных семьях). При переуплотнении у растений (обычно совпадает с началом сомкнутости покрова, кронового полога) начинается дифференциация особей по размерам и жизненному состоянию, самоизреживание популяций, а у животных (обычно совпадает с достижением половой зрелости молодняка) начинается миграция на сопредельные свободные участки.

Если смертность превышает рождаемость, то такая популяция считается сокращающейся. В естественной среде она сокращается до определенного предела, а затем рождаемость (плодовитость) вновь повышается и популяция из сокращающейся становится растущей. Чаще всего неумеренно растущими бывают популяции нежелательных видов, сокращающимися – редких, реликтовых, ценных, как в экономическом, так и в эстетическом отношении.

Структура популяций. Под демографической структурой популяции, прежде всего, понимают ее половой и возрастной состав. Кроме того, принято говорить о пространственной структуре популяции - то есть об особенностях размещения особей популяции в пространстве.

Знание структуры популяции позволяет исследователю сделать выводы о ее благополучии или неблагополучии. Например, если в популяции отсутствуют генеративные (то есть способные дать потомство) особи и при этом много старовозрастных (сенильных) особей, то можно сделать неблагоприятный прогноз. У такой популяции может не быть будущего. Структуру популяции желательно изучать в динамике: зная ее изменение в течение нескольких лет, можно намного более уверенно говорить о тех или иных тенденциях.

Возрастная структура популяции. Этот тип структуры связан с соотношением особей различных возврастов в популяции. Особи одного возраста принято объединять в когорты, то есть возрастные группы.

Возрастная структура популяций растений описана очень подробно. В ней выделяют (по Т.А. Роботнову) следующие возрасты (возрастные группы организмов):

• латентный период - состояние семени;
• прегенеративный период (включает состояния проростка, ювенильного растения, имматурного растения и виргинильного растения);
• генеративный период (обычно подразделяется на три подпериода - молодых, зрелых и старых генеративных особей);
• постгенеративный период (включает состояния субсенильного растения, сенильного растения и фазу отмирания).

В популяциях животных также можно выделить различные возрастные стадии. Например, насекомые, развивающиеся с полным метаморфозом, проходят стадии яйца, личинки, куколки, имаго (взрослого насекомого). У других животных (развивающихся без метаморфоза) также можно выделить различные возрастные состояния, хотя границы между ними могут быть и не настолько четкими.

Половая структура популяции. Половая структура, то есть соотношение полов, имеет прямое отношение к воспроизводству популяции и ее устойчивости.

Принято выделять первичное, вторичное и третичное соотношение полов в популяции. Первичное соотношение полов определяется генетическими механизмами - равномерностью расхождения половых хромосом. Например, у человека XY-хромосомы определяют развитие мужского пола, а XX - женского. В этом случае первичное соотношение полов 1:1, то есть равновероятно.

Вторичное соотношение полов - это соотношение полов на момент рождения (среди новорожденных). Оно может существенно отличаться от первичного по целому ряду причин: избирательность яйцеклеток к сперматозоидам, несущим X- или Y-хромосому, неодинаковой способностью таких сперматозоидов к оплодотворению, различными внешними факторами. Например, зоологами описано влияние температуры на вторичное соотношение полов у рептилий. Аналогичная закономерность характерна и для некоторых насекомых. Так, у муравьев оплодотворение обеспечивается при температуре выше 20 С, а при более низких температурах откладываются неоплодотворенные яйца. Из последних вылупляются самцы, а из оплодотворенных - преимущественно, самки.

Третичное соотношение полов - это соотношение полов среди взрослых животных. 

Пространственная структура популяции. Пространственная структура популяции отражает характер размещение особей в пространстве.

Выделяют три основных типа распределения особей в пространстве:

• единообразное (особи размещены в пространстве равномерно, на одинаковых расстояниях друг от друга), тип также носит название равномерного распределения;
• конгрегационное, или мозаичное (то есть "пятнистое", особи размещаются в обособленных скоплениях);
• случайное, или диффузное (особи распределены в пространстве случайным образом).

Равномерное распределение встречается в природе редко и чаще всего вызвано острой внутривидовой конкуренцией (как, например, у хищных рыб).

Случайное распределение можно наблюдать только в однородной среде и только у видов, которые не обнаруживают никакого стремление к объединению в группы. Как хрестоматийный пример равномерного распределения, обычно приводят распределение жука Tribolium в муке.

Распределение группами встречается намного чаще. Оно связано с особенностями микросреды или с особенностями поведения животных.

Пространственная структура имеет важное экологическое значение. Прежде всего, определенный тип использования территории позволяет популяции эффективно использовать ресурсы среды и снизить внутривидовую конкуренцию. Эффективность использования среды и снижение конкуренции между представителями популяции позволяют ей укрепить свои позиции по отношению к другим видам, населяющим данную экосистему.

Другое важное значение пространственной структуры популяции состоит в том, что она обеспечивает взаимодействие особей внутри популяции. Без определенного уровня внутрипопуляционных контактов популяция не сможет выполнять как свои видовые функции (размножение, расселение), так и функции, связанные с участием в экосистеме (участие в круговоротах веществ, создание биологической продукции и так далее).

Свойства популяции: самовоспроизводство, изменчивость, взаимодействие с другими популяциями, устойчивость.

Термины к теме:

           КОГОРТА

группа особей популяции одного возраста

ВИД

качественно обособленная форма живого - основная единица эволюционного процесса.

ПОПУЛЯЦИЯ

совокупность особей одного вида, имеющих общий генофод и населяющих определенное пространство с отноительно однородными условиями обитания.

АРЕАЛ

область распространения любой систематической группы организмов (вида, рода, семейства).

ДИНАМИКА ПОПУЛЯЦИИ

изменение численности, полового и возрастного состава популяции, определяемое внутрипопуляционными процессами и взаимодействием популяций разных видов.

ЭМИГРАЦИЯ

любое перемещение организма из места, считающегося обычным, в другое место.

ИММИГРАЦИЯ

вселение в какую-либо местность организмов, ранее здесь не обитавших.

ПОТЕНЦИАЛ БИОТИЧЕСКИЙ (=репродукционный потенциал, потенциал размножения)

потенциальная способность живых организмов увеличивать численность в геометрической прогрессии.

ЕМКОСТЬ СРЕДЫ

размер способности природного или природно-антропогенного окружения (среды) обеспечивать нормальную жизнедеятельность определенному числу организмов и их сообществ без заметного нарушения самого окружения.

ИНТРОДУКЦИЯ

преднамеренный или случайный перенос особей какого-либо вида живого за пределы его ареала.

            ПОПУЛЯЦИЯ

совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд и населяющих определенное пространство.

             ПЛОТНОСТЬ ПОПУЛЯЦИИ (населения)

среднее число особей популяции (вида) на единицу площади или объема пространства.

Вопросы для контроля:

1. Что такое популяция? Почему биологические виды существуют в форме популяции?

2. Перечислите основные критерии популяции

3. Какие существуют типы популяций?

4. Статические характеристики популяции

5. Динамические характеристики популяции

6.  В чём состоит практическое значение изучения популяции?

7. Как происходит регуляция численности популяции

Вопросы для дискуссии

Почему популяция способна к длительному существованию? Это не хаотическое скопление особей, а устойчивое целостное образование – надорганизменная форма организации жизни.  Особи в популяции различаются по возрасту, полу, генотипу, но тесно связаны между собой. Особенно ярко эта связь просматривается у животных.

При этом некоторые связи обеспечивают существование отдельной особи: птицы и млекопитающие метят свои участки, охраняя свою территорию от сородичей.  Но многие связи направлены на воспроизводство популяции. Это связи между полами и возрастными группами.  Особи разного пола находят друг друга по запаху, звукам, вступают в брачные отношения, проявляют заботу о потомстве. Например, необходимость установления прочной связи с детенышем заставляет многих животных во время размножения покидать стадо (антилопы, зубры, северные олени), так в период отела самка  северного оленя вместе с детенышем выходит на край стада. Она кричит часа два, потом смолкает. Находясь в стаде, олененок уверенно отличит голос матери от голоса других оленух.

Чем определяется устойчивость популяции?

1.Устойчивая популяция включает все возрастные группы от новорожденных до стариков. В популяции, клонящейся к закату, слишком много старых особей.

2. Численность особей в популяции разная.  Например, популяция насекомых составляет  сотни тысяч особей, а популяция крупных млекопитающих - только несколько  сотен особей.

Вывод: численность особей в популяции постоянно колеблется. На нее влияют вспышки размножаемости саранчи, колорадский жук, патогенные микроорганизмы (пандемия гриппа). Популяция не сможет длительно существовать, если ее численность будет ниже некоторых пределов.

Почему популяцию считают единицей эволюции?

Особенности популяции:

1. Большое генотипическое сходство.

2. Случайное свободное скрещивание («перемешивание» особей осуществляется легче и чаще, чем между популяциями этого же вида) из-за территориальной обособленности друг от друга.

Пример: Одна дубрава от другой находится за несколько километров, а пыльца дуба разносится ветром на несколько сотен метров. Но  в сильные бури пыльца подхватывается ветром и может переноситься на большие расстояния и достигать соседних популяций.

Вопрос: Может ли обособленность популяции быть постоянной (исходя из этого примера)?

Вывод: Нет, обособленность популяции относительна.

Очень важно знать, на какое расстояние перемещаются особи в природе,  как далеко могут перенести свои гены и передать следующему поколению.

Работа по учебнику: страница 160, рисунок 53 (зоны контакта между ранее изолированными популяциями жулана).

а) К чему может привести  полная изоляция между популяциями одного вида? (Рпродуктивная изоляция, возникновение нового вида).

 б) Когда может произойти слияние популяций одного вида? (Разрушение преград и обильность размножения).

3. Изоляция (хотя и неабсолютная) или обособленность.

4. Могут возникать наследственные изменения у отдельных особей в популяции и в результате свободного скрещивания распространяются в популяции. Это приводит к генетической разнородности составляющих ее особей. Неоднородность особей в популяции создает условия для действия естественного отбора, выработке приспособлений к условиям обитания у видов в целом.

Вывод: эволюционный процесс происходит в недрах вида – в популяциях.

Структура вида будет неполной, если не сказать о подвидах. Ареал белки обыкновенной насчитывает 20 подвидов. Дальний Восток – у белки почти чёрная окраска шкурки; юг Западной Сибири – серая белка с серым хвостом; Европейская часть нашей страны – белка с рыжим хвостом.

Вывод: границы между подвидами не чёткие, особи встречающихся популяций способны скрещиваться между собой и оставлять плодовитое потомство.

Число подвидов зависит и от движения особей. Кочующие животные – песцы. Место обитания -  тундра Евразии (1 подвид), Командорские острова (о.Беринга и о. Медный) (2 подвида). Море вокруг не замерзает, где каждый подвид представлен единственной популяцией.

Подвид, как и популяция, представляет форму существования вида, обеспечивает его приспособленность к конкретным условиям среды. Это даёт возможность виду занимать большой ареал, несмотря на разнообразие условий в его пределах, поддерживать на некотором уровне численность, т.е. длительно устойчиво существовать.

Процветающие виды состоят из большого числа популяций и подвидов, а зарождающиеся или вымирающие виды представлены немногими или даже одной популяцией.

Реликтовые виды: пицундская сосна, кистепёрая рыба – латимерия, пресмыкающееся – гаттерия.

Итоговая беседа по вопросам.

1. Кто может эволюционировать - отдельная особь или популяция? (Популяция со своими признаками эволюционирует независимо от других популяций, организм не может эволюционировать, т.к. его генотип определён в момент оплодотворения).

2. В чем состоит практическое значение изучений популяций?

- при заготовке древесины очень важно знать скорость восстановления леса, чтобы правильно планировать интенсивность рубок;

- использование животных для получения ценного пищевого или пушного сырья;

- изучение других важно с медико – санитарной точки зрения.