Файл: Практическая работа 1 Студент гр номер гр. Фио спбгэту лэти, 2022 г.pdf

ЭКОЛОГИЯ
Исследование структуры
и особенностей
функционирования
экологических систем
Практическая работа №1
Студент гр._______
_______________________
номер гр.
ФИО
СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2022 г.
2282
Ананьев
Артемий
Дмитриевич

Задание 1. Экологические системы
Вариант: _____________________________________________________
Дайте описание экологической системы в соответствии с вариантом.
1. Вид экосистемы
2. Тип природной
экосистемы
3. Общие особенности
4. Физико-
географическая зона
5. Климат
1
Наземная
Природная
(
по степени антропогенного воз действия на природную среду
)
Пустыня
Пустыня отличается высокими летними температурами
, малым количеством годовых осадков
–
чаще от
100 до
200 мм
, отсутствием поверхностного стока
, нередко преобладанием песчаного субстрата и
большой ролью эоловых процессов
, засоленностью подземных вод и
миграцией водорастворимых солей в
почве
, неравномерном количеством выпадающих осадков
Зона пустынь и
полупустынь
Тропический пояс
Жарко
, засушливо
Большая суточная амплитуда температуры почвы и
воздуха
Крайне редкое выпадение осадков и
низкая влажнось воздуха

6. Рельеф
7. Гидрологические
условия
8. Типы почв для
наземных
экосистем/уровень
солености вод для
водных экосистем
9. Продуктивность
10. Видовое разнообразие
и устойчивость
В
основном представлен равнинами и
плато
Крайне редкое выпадение осадков
Очень малое количество водоемов
, которые нередко бывают солеными
, и
влаги в
целом
Сероземы и
пустынные почвы
Продуктивность пустынь очень низкая
Среди лимитирующих факторов
, ограничивающих продуктивность экосистемы
, наиболее значимым является недостаток воды
Видовое разнообразие представлено немногочисленными видами

Задание 2. Адаптация организмов
Приведите примеры адаптации организмов к экологическим факторам среды.
Общие сведения
Эволюция живых организмов Земли шла в направлении совершенствования их регуляторных систем в целях сведения к минимуму зависимости от факторов среды.
Приобретение организмами особенностей
(морфологических, физиологических, поведенческих), позволяющих им существовать в среде наиболее эффективно, называют адаптациями (от лат. аdaptatio - приспособление).
Формирование адаптаций к среде является двигателем биологический эволюции.
Интересно, что термином адаптация называют как процесс приспособления к окружающим условиям, так и достигнутый результат.
Российский физиолог З.Меерсон (1981) определяет результаты адаптаций как приобретение организмами устойчивости к определенным факторам, способности жить в условиях, ранее не совместимых с жизнью, способности решения ранее не осуществимых задач.
Классическим примером эффективности адаптации является эксперимент, в котором на высоту 7000 м поднимали аборигенов Анд и неадаптированных людей. При этом аборигены могли играть в шахматы, а жители равнины теряли сознание.
Адаптации традиционно принято делить на поведенческие, физиологические и морфологические (изменения в строении). Характер и степень изменений, происшедших с организмами зависят от вида и интенсивности факторов, к которым происходят приспособления.
Поведенческая адаптация, заключающаяся в поведении организма, снижающим отрицательные действия экологических факторов (например, маскировка жертв или выслеживание добычи хищниками, активный поиск оптимальных условий);
Физиологическая адаптация, состоящая в изменении обмена веществ с целью приспособления к неблагоприятным экологическим факторам (например, впадение организмов в анабиоз на неблагоприятный период года)
Морфологическая адаптация, предполагающая строение тела организма, приспособленное к состоянию окружающей среды (например, отсутствие листьев у пустынных растений)

Дайте описание и преимущества приспособления, заполнив таблицу.
Вариант: _____________________________________________________
Формы
приспособлений
Примеры
Описание
приспособления
Преимущества
данного
приспособления
Строение тела
Предупреждающая
окраска
Покровительственная
окраска (маскировка)
Мимикрия
1
Плотва
Обтекаемость формы тела
Движения в
воде становится легким
, точным
, скорость передвижения высокой
Божья коровка
Яркая окраска тела отпугивает птиц и
прочих хищников
Позволяет избежать лишних контактов с
опасностями
Хамелеон
Способен менять окраску путём перераспределения пигмента
Маскировка в
соответствии с
окружающим фоном защиает от врагов
Муха
- журчалка
Схожесть вида с
жалящами насекомыми
(
осами
, пчелами
, шершнями и
тп
)
Позволяет избежать контактов с
хищниками

Приспособительное
поведение
Сезонная миграция
Запасание кормов
Сооружение гнезд
Имитация ранения
Водопойные миграции
Поддержание температуры тела путём пребывания на солнце или в тени
Образование скоплений, препятствующих чрезмерному охлаждению или перегреванию
Избегание неприятного фактора
Перелет птиц в
тропические зоны
Позволяет жить в
наиболее благоприятном для данного вида климате
Различные грызуны
(
белки
, хомяки и
тп
)
Позволяет выжить в
зимний период и
не погибнуть от голода
Птицы
Позвоялет птицам отложить яйца и
вырастить потомство
Опоссумы
, земноводные
, птицы
Позволяет повысить шансы на выживание ввиду того
, что хищники почитают жертву падалью
, которой они не питаются
Зебры
, антилопы
Позволяет выжить в
засушливых областях
, обеспечивая животных источником воды
Пресмыкающиеся и
земноводные
(
ящерицы и
лягушки
)
Позвляет поддерживать необходимую для существования организмов температуру
Подкожный жир или мех
Позвляет поддерживать необходимую для существования организмов температуру
Спячка
Позволяет организмам избежать неблагоприятные условия для жизни

Задание 3. Экологические факторы
В данном задании предлагается исследовать влияние ряда экологических факторов на устойчивое развитие вида.
Согласно варианту и методическим материалам необходимо:
1. Подсчитать N
e
для популяции, учитывая колебания числа потомков в семье.
Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания.
Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции.
2. Подсчитать N
e
для популяции, учитывая колебания численности поколений.
Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания.
Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции.
3. Подсчитать N
e
для популяции, учитывая неравное число самцов и самок.
Вычислить число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания.
Определить коэффициент инбридинга для четырех поколений и сделать вывод о жизнеспособности популяции.
Методические рекомендации
Эволюция – процесс развития биосферы – является результатом множества микроэволюций. В экологии под «микроэволюцией» понимают направленные изменения особей конкретной популяции. Эволюционные изменения популяций происходят под действием двух факторов: мутации организмов и естественного
отбора.
Мутации – внезапные естественные или искусственно вызванные наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма. Таким образом, мутация обеспечивает появление в популяции

организмов с отклонениями от стандартного набора признаков, а влияние окружающей среды приводит к гибели особей с неудачными отклонениями, то есть существует естественный отбор генетического материала популяции (генофонда).
При длительной стабильности экологических факторов в популяции осуществляется стабилизирующий отбор, препятствующий ее изменчивости. При стабильных дрейфах значений факторов организмы приспосабливаются к ним либо изменением одного адаптивного признака (движущий отбор), либо изменением в нескольких направлениях (дизруптивный отбор, приводящий к образованию нескольких видов из одного). Анализ эволюционных процессов показывает, что чем больше разнообразность генов (гетерогенность) в популяции, тем шире ее экологические кривые и выше ее приспособительные возможности. Поэтому генетическое разнообразие особей популяции чрезвычайно важно для ее устойчивого существования.
Для анализа гетерогенности популяции вводят понятия эффективного размера популяции. N
e
– численность идеальной популяции, в которой каждая особь дает равный вклад в общий генофонд нового поколения. В реальной популяции ее численность N всегда превышает N
e
по следующим причинам:
1. Колебания числа потомков в семье
????????
????????
=
4∙????????
2+????????
, (1) где ???????? – дисперсия числа потомков. Например, при ???????? = 4 число детей в семье меняется от 0 до 4, а N
e
=
????????∙2 3
2. Колебания численности поколений
1
????????
????????
= (
1
????????
1
+
1
????????
2
+ ⋯ +
1
????????
????????
)/????????, (2) где N
m
– численность m-гo поколения.
Например, снижение в одном из десяти поколений численности популяции с
1000 до 50 особей приведет к снижению N
e
с 1000 до 345.
3. Неравное число самцов N
1
и самок N
2 1
????????
????????
=
1 4∙????????
1
+
1 4∙????????
2
. (3)

Из (3) видно, что максимум N
e
достигается при N
1
= N
2 4.
Инбридинг – близкородственное скрещивание, повышающее вероятность наличия идентичных гетерозиготных участков генов родителей и появления гомозиготных организмов не в результате естественного отбора. Это явление используется селекционерами для закрепления необходимых наследственных признаков при создании новых видов растений и животных. При отсутствии контроля экспериментатора инбридинг ведет к вырождению и гибели популяции, что подтверждается историей некоторых царствовавших династий.
Для количественной оценки данного явления введено понятие коэффициента инбридинга:
???????? = 1 − (1 −
1 2????????
????????
)
????????
, (4) где m – число поколений.
Опыт животноводов показал, что плодовитость популяций падает при f > 0,5.
Решая показательное уравнение (4) при заданном значении f, получим, что число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5*N
e
. Таким образом, снижение гетерогенности ведет к вымиранию популяции. Однако чрезмерный рост генетического разнообразия популяции приводит к утере популяцией способности генетического адаптирования к изменяющимся условиям окружающей среды. Для каждой популяции существуют некоторые оптимальные значения гетерозиготности, зависящие от ее численности, структуры, исходного генофонда, статических и динамических характеристик окружающей среды.
Например, при длительной стабильности экологических факторов высокая гетерогенность популяции не требуется, а при изменении экологических факторов выживает наиболее гетерогенная популяция. Поэтому обитатели разных экологических систем обладают разной гетерогенностью. Например, у человека число гетерозиготных участков генов составляет около 20 %. Мутация является процессом, повышающим гетерогенность популяции.
Мутагены – физические и химические экологические факторы, воздействие

которых на живые организмы приводит к возникновению мутаций с частотой, превышающей уровень спонтанных реакций. К физическим мутагенам относят ультрафиолетовое излучение, повышенную и пониженную температуры, ионизирующие излучения (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и т. д.).
Химическими мутагенами являются аналоги нуклеиновых кислот, чужеродные
ДНК и РНК, алкалоиды и другие вещества. Устойчивость организмов к воздействию мутагенов различна. Вирусы в 3–1000 раз более стойки к ним, чем растения, а растения – в 2–800 раз по сравнению с теплокровными животными. В целом более высокоорганизованные особи менее стойки к воздействию мутагенов.
Поэтому предельно допустимый уровень мутагенных биосферных воздействий нормируется на человека.
Пример расчетов:
Таблица 1
Исходные данные (пример)
№ варианта Реальный размер популяции
Дисперсия числа потомков
Колебания численности поколений
Отношение числа самцов к числу самок
1 2
3 4
Пример
110 3
20 30 20 40 4
1. Эффективный размер популяции с учетом колебания числа потомков в семье в соответствии с выражением (1) равен
????????
????????
=
4 ∙ ????????
2 + ???????? = �
4 ∙ 110 2 + 3 � =
440 5 = 88.
Коэффициент инбридинга может быть вычислен по формуле (4):
???????? = 1 − �1 −
1 2????????
????????
�
????????
= 1 − �1 −
1 2 ∙ 88�
4
= 1 − 0,98 = 0,02

Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N
e
= 1,5·88 = 132.
По данным расчетам можно сделать вывод о том, что колебания числа потомков в семье снижает эффективный размер популяции, а значит и ее устойчивость к изменениям окружающей среды на 20 %. Несмотря на это, в течение времени, необходимого для смены 132 поколений, у данной популяции отсутствует угроза вымирания.
2. Эффективный размер популяции с учетом колебания численности поколений согласно формуле (2) определяется как
1
????????
????????
=
1
????????
1
+ 1
????????
2
+ ⋯ + 1
????????
????????
????????
=
1 20 +
1 30 +
1 20 +
1 40 4
=
0,15833 4
????????
????????
= 25,26.
Коэффициент инбридинга определяется формулой (4):
???????? = 1 − �1 −
1 2????????
????????
�
????????
= 1 − �1 −
1 2 ∙ 25,26�
4
= 1 − 0,92 = 0,08
Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N
e
= 1,5 · 25,26 = 37,9. Угроза вымирания популяции возможна после смены 38- ми поколений.
3. Эффективный размер популяции с учетом неравного числа самцов и самок находится по выражению (3):
1
????????
????????
=
1 4 ∙ ????????
1
+
1 4 ∙ ????????
2
где N
1
– число самцов и N
2
– число самок, которые связаны выражением:
�
????????1 / ????????2 = 4
????????1 + ????????2 = ???????? = 110
Решение данной системы уравнений дает N
2
= 22 и N
1
= 88. Подставив эти данные в (3), получим

1
????????
????????
=
1 4 ∙ ????????
1
+
1 4 ∙ ????????
2
=
1 88 +
1 352 = 0,0142
????????
????????
=
1 0,0142 = 70,4
Коэффициент инбридинга вычисляется по формуле (4):
???????? = 1 − �1 −
1 2????????
????????
�
????????
= 1 − �1 −
1 140,84�
4
= 1 − 0,97 = 0,03
Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m = l,5·N
e
= 1,5 · 70,42 = 105,63. Угроза вымирания популяции возможна после смены
106 поколений.
4. Из проведенных расчетов видно, что неодинаковое количество детей в семьях популяции и неравное число самцов и самок в популяции уменьшает ее эффективный размер, то есть снижает выживаемость популяции.

Расчеты:
Вариант: _____________________________________________________
1. Эффективный размер популяции с учетом колебания числа потомков в семье равен
????????
????????
=
Коэффициент инбридинга в данном случае равен:
???????? =
Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно
???????? =
Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений.
2. Эффективный размер популяции с учетом колебания численности поколений равен
????????
????????
=
Коэффициент инбридинга в данном случае равен:
???????? =
Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно
???????? =
Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений.
3. Эффективный размер популяции с учетом неравного числа самцов и самок равен
????????
????????
=
1 90 32 60 0.033 90 21.05 1.09 31.6 80

При этом N
1
( число самцов) = и N
2
(число самок) =
Коэффициент инбридинга в данном случае равен:
???????? =
Число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно
???????? =
Угроза вымирания популяции возможна после смены поколений.
4. Выводы к работе:
120
Из проведенных расчетов видно
, что неодинаковое количество детей в
семьях популяции и
неравное число самцов и
самок в
популяции уменьшает ее эффективный размер
, то есть снижает выживаемость популяции
60 30 0.0248 120