МУ Биология Лабораторные

71

охарактеризуйте основные признаки рас, их происхождение.

1.4.Экология и основы природопользования

1.4.1.Занятие 13. Методы изучения абиотических факторов. Влияние факторов на живой

организм

Понятие экологического фактора – одно из наиболее общих и чрезвычайно широких понятий экологии. Определение экологического фактора основано на таком естественнонаучном и всеобъемлющем представлении как среда.

Под средой в экологии понимают весь комплекс природных тел и явлений, с которыми организмы и экосистемы находятся в прямых или косвенных связях. Те элементы среды либо условия, которые для конкретных видов или их сообществ небезразличны и вызывают у них приспособительные реакции (адаптации), являются по отношению к организмам экологическими факторами. В процессе жизнедеятельности организмов осуществляется их функциональная связь с этими элементами среды.

Существует и более конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организмов – это среда обитания. Она включает в себя совокупность всех экологических факторов отдельного организма или биоценоза в целом. В земных условиях существует четыре типа среды обитания для живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная и тело другого организма, используемое паразитами и другими симбионтами.

Число всевозможных экологических факторов представляется потенциально неограниченным. В соответствии с этим с этим задача классификации экологических факторов оказалась весьма сложной, так что общепринятого варианта до сих пор не существует. В то же время достигнуто согласие относительно целесообразности использования при классификации экологических факторов определенных признаков. Прежде всего, экологические факторы делятся на внешние (экзогенные) и внутренние (эндогенные) по отношению к данной экосистеме. К внешним относят факторы, действие которых в той или иной степени определяют функционирование организмов и экосистем, но сами они практически не испытывают их обратного воздействия. Солнечная радиация, интенсивность атмосферных осадков, атмосферное давление, скорость ветра – относятся к данной категории. В отличие от них внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и ее компонентов, являясь структурной составляющей. Таковы численности и биомасса популяций, запасы различных веществ, характеристики водной и почвенной масс.

Второй, наиболее распространенный принцип классификации, заключается в подразделении всех факторов на абиотические (экологически значимые условия неорганической, или неживой, природы), биотические (разнообразные формы влияния на организмы со стороны окружающих его живых существ) и антропогенные (все формы деятельности человека, которые оказывают влияние на живую природу).

Особая роль для практики рационального природопользования принадлежит системе классификации основанной на законах сохранения. Факторы, характеризующие численность, биомассу, запасы или концентрации различных форм вещества и энергии, временные изменения которых подчиняются законам сохранения, относят к категории суммативных и называют ресурсами. Например, можно говорить о ресурсах тепла, влаги, органической и минеральной пищи и т. д. Такие факторы, как интенсивность и спектральный состав радиации, уровень шума, скорость ветра или течения, размер и форма пищи, также сильно влияют на организмы, но не относятся к категории ресурсов, так как к ним не применимы законы сохранения.

Фактор среды ощущается организмом лишь в определенных пределах, иными словами, реакция организма зависит от дозировки фактора. Диапазон действия, или зона толерантности, экологического фактора ограничен крайними пороговыми значениями, которые получили названия точек минимума и максимума данного фактора и при которых

71

72

возможно существование организма. Между этими крайними пороговыми значениями находится точка оптимума, соответствующая наилучшим показателям жизнедеятельности организма. Определить оптимальное значение фактора с достаточной степенью точности не всегда возможно, в связи с этим принято определять зону оптимума, в которой организм находится в комфортных условиях. Условия среды, в которых какой-либо фактор выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии называют экстремальными. Вблизи критических точек лежат сублетальные значения (зоны пессимума), а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора.

Идея о том, что существование и выносливость организма определяются самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, впервые была высказана в 1840 году известным немецким химиком Ю. Либихом, сформулировавшим «закон минимума». Согласно этому закону величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Иными словами, данный элемент находится в минимальном количестве. По мере повышения его содержания урожай будет возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока не окажется в минимуме другое вещество. Фактор, находящийся в минимальном значении, будет ограничивать жизнедеятельность организма, т. е. является лимитирующим.

Лимитирующий фактор – фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости организма.

Позднее В. Шелфорд (1913) показал, что у каждого живого организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости (толерантности), между которыми располагается его экологический оптимум. Присутствие или процветание организма в данном местообитании зависит от комплекса экологических факторов. По каждому фактору имеется диапазон толерантности, за пределами которого организм не способен существовать. Невозможность процветания или отсутствие организма определяется теми факторами, значения которых приближаются или выходят за пределы толерантности.

Для количественной характеристики воздействия экологических факторов на показатели жизнеспособности особей, такие, как скорость роста, развития, плодовитость, урожайность используется понятие функция отклика.

Функция отклика – это количественная зависимость показателя жизнедеятельности особей рассматриваемой популяции на изменение экологических факторов. Одна из основных задач факториальной экологии состоит в определении этих зависимостей, т. е. в идентификации функций отклика.

Первый шаг на пути решения этой задачи состоит в получении частной зависимости функции отклика от одного фактора-аргумента при фиксированных значениях других (методология однофакторного эксперимента). В типичных случаях график частной функции отклика на изменение фактора имеет форму выпуклой кривой, монотонно возрастающей от минимального значения фактора до максимума при оптимальных значениях фактора и монотонно убывающей, с приближением фактора к максимальному значению.

Задание 53. Изучить функцию отклика урожая культурных растений по схеме однофакторного эксперимента в зависимости от общего запаса азота в почве.

Для определения частной функции отклика урожая культурных растений от общего запаса азота в почве будем пользоваться формулой А. Митчерлиха:

гдеАmax – максимальный генетически возможный урожай (ц/га);

- общий азот почвы равный сумме: азот почвы + азот удобрений (ц/га);- коэффициент равный 0, 122 (ц/га);- коэффициент равный 0,032 (ц/га).

72

73

Будем исходить из предпосылки, что в общем запасе азота, «азот почвы» величина постоянная, как и максимальный генетически возможный урожай (Аmax).

Для вычисления оптимальной дозы азотных удобрений и построения графика частной функции отклика растений воспользуемся данными таблицы 23

Таблица 23 – Варианты заданий для определения функции отклика сельскохозяйственной культуры на содержание азота в почве

Используя для расчетов формулу Митчерлиха и данные таблицы 23, выполните один из вариантов и заполните пустующие ячейки таблицы 24.

Таблица 24 – Соотношение урожайности культурных растений и содержания азота удобрений в почве

74

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

Задание 54. Постройте график зависимости относительной урожайности Ф(х) от общей обеспеченности почвы азотом.

Задание 55. Определите оптимальную дозу азотных удобрений при данном уровне азота в почве. Запишите вывод.

Задание 56:

Какой из приведенных факторов можно считать лимитирующим (ограничивающим) для организмов в определенных условиях:

а) для травянистых растений в густом лесу: влага, свет, плодородие почвы, рН среды; б) для темноокрашенных насекомых на меловом субстрате: наличие пищи, температура,

влажность, рН среды; в) для травянистых растений в горах на высоте более 6 км: влага, свет, температура,

плодородие субстрата, концентрация углекислого газа; г) для дождевых червей в песчаных субстратах: температура, влажность, содержание

гумуса; д) для рыб, зимующих в замерзающих водоемах: температура, наличие пищи, содержание

кислорода в воде.

1.4.2. Занятие 14. Основы популяционной экологии.

Основными эколого-генетическими характеристиками популяции являются:

-популяционный ареал;

-численность особей в популяции;

-динамика популяции (популяционные волны или волны жизни);

-возрастной состав популяции.

В 1908 г. был сформулирован важный для популяционной генетики закон Харди – Вайнберга. Согласно этому закону, частота гомозиготных и гетерозиготных

организмов в условиях свободного скрещивания при отсутствии давления отбора и других факторов (мутационного процесса, миграции, дрейфа генов и т.д.) остается постоянной, т.е. популяция находится в состоянии генетического равновесия. Необходимым условием выполняемости этого допущения является очень большая численность популяции, отсутствие в ней мутационного процесса, изоляции и отбора.

Задание 57. При помощи учебника охарактеризуйте структуру популяции. Заполните таблицу.

74

Задание 58. Сравнительная характеристика животных и растений. На основании материала учебника и лекции заполните таблицу 26.

Таблица 26 – Основные черты различия между растительными и животными организмами

Задание 59. Изучение признаков сходства позвоночных с беспозвоночными. Используя материал учебника, лекции и наглядные материалы, заполните таблицу 27.

Таблица 27 – Сравнительная характеристика беспозвоночных и позвоночных животных

76

Задание для самоподготовки.

Изучить материал по теме и ответить на следующие вопросы: 1) какие признаки лежат в основе деления подцарства Простейшие на типы и классы, каково значение простейших в природе и жизни человека; 2) сравните организацию простейших с отдельной клеткой многоклеточного организма; 3) назовите классификацию и морфофизиологические особенности типа Хордовые, признаки, характерные только для хордовых, и общие с другими типами; 4) охарактеризуйте основные черты анамний и амниот; 5) перечислите характерные черты организации позвоночных; 6) назовите прогрессивные черты млекопитающих; каково происхождение и эволюционное значение млекопитающих.

1.4.3. Занятие 15. Оценка антропогенного воздействия на биотический компонент экосистем

Оценка состояния окружающей среды, разработка научных основ ее защиты и охраны окружающей среды привели к возникновению новой науки – науки об окружающей среде – энвайроментологии или средологии.

Термин «энвайроментология» происходит от анг. environmental. Энвайроментология –

комплексная наука об окружающей человека среде, главным образом природной, ее качестве и охране. В русскоязычной литературе чаще говорят не об энвайроментологии, а об охране природы или об охране окружающей среды. Однако, под охраной природы в России понимается охрана живой природы (охрана растительности и животного мира) имеет смысл введения запретов и организации особо охраняемых природных территорий (заповедников, национальных парков, заказников и др.). Под охраной окружающей среды понимается комплекс международных, государственных, региональных, административно-хозяйственных, политических, юридических, общественных мероприятий, направленных на обеспечение экономического, культурно-исторического, физического, химического и биологического комфорта, необходимого для сохранения здоровья человека. Когда говорят об охране окружающей среды, прежде всего, имеют в виду организационно-правовые и технические мероприятия (рисунок 31).

Объектом исследования энвайроменталогии является система «Человек – окружающая среда». Предметом исследования энвайроменталогии являются закономерности оптимизации в системе «Человек – окружающая среда».

Научной основой охраны окружающей среды является учение об окружающей среде – энвайроментализм. Под энвайроментализмом Н. Ф. Реймерс понимает теорию управления средой жизни и социально-экономическим развитием, исходя из представлений о человечестве как части биосферы. Отличается от консерватизма пониманием необходимости и неизбежности преобразования природы в интересах человека.

Наука об окружающей среде является дальнейшим развитием экологии и биогеоценологии и выросла на основе этих наук. Она полностью использует принципы классической экологии и биогеоценологии, но идет при этом гораздо дальше. Экология – наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и окружающей их средой. Экология как наука сформировалась в 1866 г. благодаря трудам немецкого зоолога Эрнста Геккеля.

Биогеоценология – наука, занимающаяся исследованием закономерностей формирования, функционирования и развития биогеоценозов. Сформировалась благодаря трудам советского биолога В. Н. Сукачева.

76

77

Охрана Природы

Охрана cреды жизни

Энвайронментология

Охрана

Природы

Энвайронменталистика

Охрана природной среды, Окружающей человека (заштриховано)

Рисунок 31 – Соотношение объемов понятий: охрана природы, охрана среды жизни, энвайронментология, охрана природы, охрана окружающей человека среды, охрана природной

среды, окружающей человека, энвайронменталистика (Реймерс Н. Ф., 1994).

Загрязнение – это нежелательное изменение физических, химических или биологических характеристик воздуха, земли, воды, которое может сейчас или в будущем оказывать неблагоприятное влияние на жизнь самого человека, растений или животных, на разного рода производственные процессы, условия жизни и культурное достояние, истощать или портить сырьевые ресурсы. Во всем мире используется множество различных, химических соединений. Классификация загрязнений сложна. Широко известно выделение загрязнений по типам сред (загрязнение атмосферы, гидросферы, почвы), по загрязняющим веществам (как тяжелые металлы, диоксины, радиоактивные вещества, нитритный и нитратный азот, кислоты). С экосистемных позиций выделяют два вида загрязнений – стойкие и нестойкие. Последние, в отличие от первых, легко разрушаются биологическими процессами. Стратегия обращения с разными видами загрязнений различна и в большой степени зависит от их особенностей. Цена любого вида загрязнений включает три составляющие: 1) потери ресурсов в результате их эксплуатации с большим количеством отходов; 2) стоимость ликвидации загрязнений и контроля над ними; 3) цена здоровья людей.

Антропогенное загрязнение окружающей среды Цель работы. Приобретение студентами навыков самостоятельной работы, имитация

выполнения научной работы, приобретение навыков публичных выступлений, углубленное изучение учебной дисциплины.

Задание 60: 1. Подготовка и доклад студента по выбранной тематике.

2. Участие слушателей в обсуждении доклада: каждый участник обязательно задает вопрос по докладу или комментирует выступление товарища, предлагает оценку доклада. По итогам доклада выставляется оценка докладчику по традиционной пятибалльной системе оценок, а также оценка участникам обсуждения по двухбалльной системе (например: «+» или «-»).

Примерные темы докладов:

1.Асбест;

2.ГМИзагрязнение;

3.Диоксины;

4.Ионизирующее излучение;

5.Кадмий;

6.Лекарственное загрязнение;

7.Мышьяк;

77

78

8.Нефтепродукты;

9.Нитраты, нитриты и продукты метаболизма азотистых удобрений;

10.Патогенные микроорганизмы;

11.Пестициды и гербициды;

12.Пыль;

13.Ртуть;

14.Свинец;

15.Тепловое и световое загрязнение;

16.Угарный газ в воздухе;

17.Фреоны;

18.Шум;

19.Электромагнитное загрязнение.

План выступления

1.Основные источники образования загрязнителя, каким образом он поступает в

окружающую среду;

2.Нормы и нормативы для данного вида загрязнителя;

3.Какой вред данный загрязнитель причиняет экосистеме, животным и человеку;

4.Каким образом снизить вред загрязнителя, что делается в этой области?

Оценка уровня загрязнения воздуха методом биоиндикации по уровню флуктуирующей асимметрии древесной растительности

Одним из удобных способов оценки интенсивности антропогенного воздействия является метод оценки качества среды по показателям нарушения стабильности развития организмов. Принцип метода основан на выявлении нарушений симметрии развития листовой пластины растения под действием антропогенных факторов. Этот подход достаточно прост с точки зрения сбора, хранения и обработки материала. Он не требует специального сложного оборудования, но при этом позволяет получить интегральную оценку состояния организма при всем комплексе возможных воздействий.

Принцип метода основан на выявлении нарушений симметрии развития листовой пластины древесных и травянистых форм растений под действием антропогенных факторов.

Выборку листьев древесных растений осуществляют с нескольких близко растущих деревьев на площади 10 x 10 м или на аллее длиной 30-40 м. Используют только средневозрастные растения, исключая молодые и старые. Листья собираются из нижней части кроны, на уровне поднятой руки.

Для оценки величин асимметрии исследуются 5 билатеральных признаков, характеризующих общие особенности листа, удобные для учета и дающие возможность однозначной оценки:

1 – ширина левой и правой половинок листа; 2 – расстояние от основания до конца жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 – расстояние между концами первой и второй жилок второго порядка; 5 – угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка (таблица 10, рисунки 10 и 11).

78

79

1 – ширина половинок листа (измеряется посередине листовой пластинки); 2 – длина второй от основания листа жилки второго порядка; 3 – расстояние между основанием первой и второй жилок второго порядка; 4 – расстояние между концами этих жилок;

5 – угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Рисунок 32 – Схема промеров листа берёзы повислой (Betula pendula).

Первые четыре параметра снимают циркулем-измерителем (рисунок 32), угол между жилками измеряют транспортиром (рисунок 33).

Рисунок 33 – Методика измерения угла между жилками.

При измерении угла транспортир (рис. 33, 1) располагают так, чтобы центр основания окошка транспортира (рис. 33, 2) находился на месте ответвления второй жилки второго порядка (рис. 33, 4).

Так как жилки не прямолинейны, а извилисты, угол измеряют следующим образом: участок центральной жилки (рис. 33, 3), находящийся в пределах окошка транспортира (рис. 33, 2) совмещают с центральным лучом транспортира, который соответствует 90º, а участок жилки второго порядка (рис. 33, 4) продлевают до градусных значений транспортира (рис. 33, 5), используя линейку.

Загнутость макушки листа определяют по рисунку 34.

79

80

1 – не загнута; 2 – загнута влево, 3 – загнута вправо, 4 – «ласточкин хвост». Рисунок 34 – Примеры «загнутости» макушки листа.

Данные измерений заносят в таблицу 28.

Таблица 28 – Оценка величин асимметрии древостоя

Величина асимметричности оценивается с помощью интегрального показателя – величины среднего относительного различия на признак (средняя арифметическая отношения разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенная к числу признаков). Для проведения вычислений пользуются вспомогательной таблицей (табл. 29).

Значение одного промера обозначают Х, тогда значение промера с левой и с правой стороны – ХЛ и ХП, соответственно. Измеряя параметры листа по пяти признакам (слева и справа) получают необходимое количество значений Х.

Впервом действии (1) находят относительное различие между значениями признака слева и справа (Y) для каждого признака. Для этого находят разность значений измерений по одному признаку для одного листа, затем находили сумму этих же значений и разность делили на сумму.

Найденное значение Y1 вписывают во вспомогательную таблицу. Подобные вычисления производят по каждому признаку. В результате получают 5 значений Y для одного листа. Такие же вычисления производят для каждого листа, записывая результаты в таблицу. 4.

Во втором действии (2) находят значение среднего относительного различия между сторонами на признак для каждого листа (Z). Для этого сумму относительных различий делят на число признаков.

Подобные вычисления производят для каждого листа. Найденные значения заносят в таблицу 4.

Втретьем действии (3) вычисляют среднее относительное различие на признак для выборки (Х). Для этого все значения Z складывают и делят на число этих значений, где n – число значений Z, т.е. число листьев.

Этот показатель характеризует степень асимметричности организма.

80