Лабораторная работа № 2 "Популяция".
Задание № 1
Изменяя начальные значения численности зайцев, затем волков и травы, определите их предельные значения (максимальные и минимальные) при которых система будет возвращаться в состояние равновесия через некоторое число циклов. Опишите процессы в природе, определяющие эти предельные значения.
Согласно проведенному исследованию минимальное число кроликов равняется 10, меньшее количество приводит к уничтожению популяции кроликов волками. Максимальное количество кроликов равно 350. Если численность кроликов выйдет за пределы этой цифры, то расплодившиеся кролики съедят всю траву и начнут погибать из-за недостатка пищи и от волков.
Количество волков не может быть менее 40, иначе кролики съедят всю траву и начнут гибнуть от нехватки пищи. Максимальное количество волков 500, большее приведет к истреблению популяции кроликов и гибели самих волков от недостатка пищи.
Минимальное количество травы 10, если меньше, то не хватит корма зайцам. Максимальная численность травы 500. Большее количество приведет к резкому увеличению популяции кроликов, которые имеют достаточно пищи и истреблению их волками.
Задание № 2
Цена за условную единицу травы-1 руб., одного кролика-30 руб., и одного волка-50 руб. Введите правила природопользования с целью получения максимальной прибыли, при которых экосистема может существовать неограниченное число циклов.
Согласно проведенному эксперименту наиболее благоприятными условиями для всех трех популяций являются условия, когда численность нижнего трофического уровня превышает численность верхнего не более чем в 1,5-2 раза. В таком случае экосистема будет находиться в равновесии неограниченное число циклов. Так как именно при таком соотношение волкам и кроликам хватает пищи, чтобы выжить, но ее недостаточно для чрезмерного увеличения популяции с последующим ее истреблением от недостатка кормовой базы или от популяции верхнего трофического уровня. Результаты показаны в таблице 1
Таблица 1
Первоначальные значения численности
Значения численности при максимальной общей стоимости экосистемы
Травы
Кролики
Волки
Травы
Кролики
Волки
Стоимость
экосистемы
300
10
100
43
527
119
21083
300
50
100
80
319
111
15200
300
100
100
96
300
112
14696
300
150
100
146
328
107
15336
300
200
100
121
353
106
16011
300
200
10
12
515
13
16112
300
200
50
27
396
62
16007
300
200
150
83
260
170
16383
50
50
50
61
191
51
8341
Задание № 3
Используя методы генной инженерии, можно регулировать плодовитость и естественную смерть кроликов, ловкость и естественную смертность волков, урожайность и питательность травы. Какие из этих параметров, и каким образом нужно изменить, чтобы повысить эффективность природопользования, сохранив стабильность экосистемы.
Исследование показало, что увеличение урожайности травы приведет к резкому возрастанию численности кроликов. Число волков тоже увеличится, так как они имеют хорошую кормовую базу. Это приведет к тому, что волки начнут пожирать кроликов, что может привести к уничтожению популяции кроликов, а затем и волков. Аналогично и повышение питательности не приведет к равновесию в экосистеме.
Плодовитость кроликов приведет к нехватке питания. А небольшое изменение естественной смертности кроликов в сторону увеличения способно повысить эффективность природопользования, не выводя ее из равновесия. То же самое касается ловкости волков, которая мало влияет на состоянии экосистемы. В то время как естественная смертность волков приведет к повышенному размножению кроликов. У кроликов возможно сначала увеличение популяции, так как мало волков, а затем уменьшение численности из-за нехватки пищи.
Таким образом, наилучшим образом на повышение эффективности природопользования повлияет естественная смертность кроликов и ловкость волков.
1. Какими процессами обеспечивается непрерывность жизни на Земле в течение миллиардов лет?
Биотический круговорот органических веществ - основа биосферы. В закономерностях этого круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно организованным существам.
2. Что происходит с солнечной энергией, падающей на Землю? В ходе, каких процессов она преобразуется?
Лишь небольшая часть солнечной энергии, поступающей на Землю, улавливается биосферой. Ультрафиолетовая часть спектра, составляющая около 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, почти полностью задерживается атмосферой. Около 50% поступающей энергии превращается в теплоту и затем излучается в космическое пространство, 20 % расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой. В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли усваивают эту энергию и запасают в форме сахаров. От этого процесса зависит все существование биосферы. Солнечная энергия преобразуется в процессах брожения и дыхания в специальных структурах клеток растений в энергию химических связей. Эта энергия высвобождается и используется живыми организмами. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н3РO4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при брожении или дыхании. При гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма, - от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка. Переработка пищи в организмах сопровождается выделением энергии, частично запасаемой в форме химической энергии и используемой для совершения работы. Животные, поедая растения, а хищники - травоядных животных, освобождают ее для себя, сжигая сахара и другие питательные вещества при помощи кислорода.
3. Чем отличаются потоки энергии и потоки веществ в биосфере?
Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Все элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере, тем более что масса всего живого, когда-либо заселявшего Землю, больше массы самой Земли. Частично энергия рассеивается при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходима постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.
4. Почему пищевые сети редко состоят более чем из 4-5 уровней?
Потому что чем больше трофических уровней, тем выше потери энергии в системе. Определенная часть энергия теряется на каждом уровне, согласно второму началу термодинамики и чем больше количество уровней, тем больше потери энергии.
5. Как моделируются ситуации "конкуренция" и "сосуществование" в экосистеме? К каким выводам можно прийти, используя математические модели?
Для построения математической модели вводят "макроскопические характеристики", описывающие популяцию. Это число особей, соответствующее параметру порядка сложной системы. Оно "управляет" судьбой особей "в среднем". Если n - число особей (их плотность), то изменение n от скорости (числа) рождений g и числа смертей d можно записать как. В простейшем случае, где коэффициенты не зависят от общей численности, а определяются доступностью пищи, климатическими условиями и т. п. Если эти внешние условия поддерживаются постоянными, то уравнение описывает растущую или убывающую по экспоненте популяцию. Значит, стационарного решения у этого уравнения нет, и рост не зависит от плотности, поэтому внешние условия должны зависеть от плотности. Наиболее важным из всех факторов является истощение источников питания, который можно учесть введение в уравнения члена (здесь предполагается, что пища поступает с постоянной скоростью). Тогда получается уравнение Ферхюльста: При ситуации "сосуществовании" различные виды не питаются одной и той же пищей, не поедают друг друга, размножаются в разных местах. Тогда уравнения для численности записываются как , . Ситуация усложняется, если виды живут или пытаются жить за счет одного и того же источника пищи или зависят от одних и тех же жизненных условий. Решение показывает, что выживет только один тип, наиболее приспособленный (ситуация "конкуренция").