Завдання № 3. Використовуючи методи генної інженерії, Ви можете регулювати плодючість і природну смертність кроликів, спритність і природну смертність вовків, врожайність і поживність трави. Які з цих параметрів і яким чином потрібно змінити, щоб підвищити прибуток від природокористування, зберігши стабільність екосистеми? При виконанні даного завдання була замічена одна закономірність: при зміні одного з параметрів (плодючість і природну смертність кроликів, спритність і природну смертність вовків, врожайність і поживність трави) екосистема виходила із
стану рівноваги і через певні періоди припиняла своє
існування.
Т.ч. було виявлено наступне, змінювати параметри можна, але вони повинні бути обов'язково однакові і існують
межі зміни параметрів (від 3 до 22). Тобто плодючість = природної смертності кроликів = спритність вовків = природної смертності вовків = врожайності трави = поживність трави. Причому чим вище чисельне значення параметра, тим швидше екосистема повертається в стабільний стан і тим більше її прибутковість.
Нижче наведені результати:
Висновок: У ході проробленої роботи познайомилися з математичним моделюванням міжвидових взаємодій в екосистемах. Ми виявили мінімальний і максимальний граничні значення початкових параметрів екосистеми типу «хижак-жертва». Навчилися виділяти умови природокористування з метою отримання максимального прибутку в екосистемах. Навчилися змінювати параметри, що впливають на стабільність екосистеми.
Відповіді на запитання. 1.Які процесами забезпечується безперервність існування життя на Землі протягом мільярдів років? Безперервність
життя забезпечується процесами синтезу і розпаду, кожен організм віддає або виділяє те, що використовують інші організми. Особливо велика в цьому вирі роль
мікроорганізмів, які перетворюють рештки тварин і рослин в
мінеральні солі і
найпростіші органічні сполуки, знову використовуються зеленими рослинами для синтезу нових органічних речовин. При руйнуванні складних органічних сполук вивільняється
енергія, втрачається
інформація, властива складно організованим істотам. Будь-яка форма
життя бере участь у біотичному круговерті, і на ньому заснована саморегуляція біосфери.
Мікроорганізми при цьому відіграють двояку роль: вони швидко пристосовуються до різних умов життя і можуть використовувати різні субстрати в якості джерела вуглецю і енергії. Вищі організми не володіють такими
здібностями і тому розташовуються вище одноклітинних в екологічній піраміді, спираючись на них, як на фундамент.
2. Що відбувається із сонячною енергією, що падає на Землю? У ході яких процесів вона перетвориться? Сонячна
енергія перетворюється в спеціальних структурах клітин рослин в енергію хімічних зв'язків, в
процесах бродіння та
дихання. Ця енергія вивільняється і використовується живими організмами. У центрі цих перетворень в клітці знаходиться АТФ, яка синтезується з АДФ і Н
3 РО
4 за рахунок світлової енергії або енергії, що виділяється при бродінні або подиху. При гідролізі АТФ виділяється енергія, необхідна для
здійснення всієї роботи живого організму - від створення градієнтів концентрації іонів і скорочення м'язів до синтезу білка.
3. Чим відрізняються потоки енергії та потоки речовин в біосфері? Основним
енергетичним елементом для біосфери є потік сонячного
випромінювання.
Енергія падаючого на поверхню Землі сонячного випромінювання диссипирует через створення повітряних потоків в атмосфері, випаровування води і хімічних процесів, що у неживої матерії.
Одночасно в біосфері проходить специфічний
процес, який полягає в тому, що енергія сонячного випромінювання може акумулюватися, іноді на дуже тривалий період. Це відбувається при утворенні органічної речовини в ході
фотосинтезу. Запасена енергія потім використовується для підтримки безлічі інших біохімічних реакцій.
Потік енергії від Сонця проходить складний шлях, трансформуючись в елементах біосфери, перш ніж вийти знову в неживу середовище у вигляді
теплового випромінювання і відкладень органічного вуглецю в шарі Землі. Безперервний потік енергії, що накопичується в зелених рослинах, розтікається по складній
мережі харчових зв'язків, поступово розтрачуючи в
процесі обміну речовин і дихання на кожному трофічному (харчовому) рівні.
Потік енергії від Сонця неперервний. Це лінійний незамкнений процес, що є необхідним елементом для здійснення замкнутого
процесу - біотичного
кругообігу речовин у біосфері.
Біотичний
кругообіг як замкнутий цикл виник у процесі еволюції
планети протягом кількох мільярдів років (3,5-5 млрд).
Біотичний кругообіг - це кругова циркуляція речовин між грунтом, рослинами, тваринами і мікроорганізмами. Його суть зводиться до наступного: рослини, споживаючи з грунту мінеральні речовини, а з повітря - вуглекислий газ, в процесі фотосинтезу виробляють кисень та органічні речовини. Їх називають продуцентами. У цьому процесі вони акумулюють енергію в органічній речовині.
Тварини, споживаючи кисень і поїдаючи рослини, виділяють вуглекислий газ і накопичують енергію в своїй біомасі. Вони називаються консументами.
Бактерії,
гриби, найпростіші та ін, переробляючи мертвих тварин і засохлі рослини, знову перетворюють їх у початковий стан - мінеральні та прості органічні сполуки, тим самим замикаючи цикл кругообігу речовини і забезпечуючи підготовку наступного циклу. Вони називаються редуцентами, або деструкторами.
4. Чому харчові мережі рідко складаються більш ніж з 4 - 5 трофічних рівнів? Усередині екосистеми містять енергію органічні речовини
створюються автотрофними організмами і служать їжею (джерелом
речовини та енергії) для гетеротрофів. Типовий приклад тварина
поїдає рослини. Ця тварина в свою чергу може бути з'їдено
іншим
тваринам, і таким шляхом може відбуватися перенесення енергії
через ряд організмів - кожний наступний харчується попереднім,
поставляють йому сировину та енергію. Така послідовність називається харчової ланцюгом, а кожен її ланка - трофическим рівнем. Перший трофічний рівень займають автотрофи, або так звані первинні продуценти. Організми другий трофічного рівня називаються первинними консументами, третього - вторинними консументами і т. д. Звичайно буває чотири або п'ять трофічних рівнів і рідко більше шести.
Первинними продуцентами є автотрофні організми, в
переважно зелені рослини. Деякі прокаріоти, а
саме синьо-
зелені
водорості і нечисленні види бактерій, теж
фотосінтезіруют, але їхній внесок відносно невеликий.
У водних екосистемах головними продуцентами є водорості -
часто дрібні одноклітинні організми, що становлять фітопланктон
поверхневих шарів океанів і озер.
Первинні консументи харчуються первинними продуцентами, тобто це
травоїдні
тварини. На суші типовими травоїдними є багато
травоїдних
ссавців - це гризуни і копитні. До останніх
відносяться пасовищні
тварини, такі, як
коні, вівці, велика рогата худоба, пристосовані до бігу на кінчиках пальців.
У водних
екосистемах (прісноводних і морських) травоїдні форми
представлені звичайно молюсками та дрібними ракоподібними.
Життя в океанах і озерах практично повністю залежить від планктону, так як з нього починаються майже всі харчові ланцюги.
Вторинні консументи харчуються травоїдними; таким чином, це
вже м'ясоїдні тварини, так само як і третинні консументи,
поїдають консументів другого порядку.
Консументи другого і третього порядку можуть бути хижаками і полювати, схоплювати і вбивати свою жертву, можуть харчуватися падлом або бути паразитами. В останньому випадку вони за величиною менше за своїх
господарів. Харчові ланцюги паразитів незвичайні по ряду параметрів. У типових харчових ланцюгах хижаків м'ясоїдні тварини виявляються більше на кожному наступному трофічному рівні:
Рослинний
матеріал (наприклад, нектар)> муха> павук>
> Землерийка> сова
Сік рожевого куща> попелиця> сонечко> павук> комахоїдний
птах> хижий птах
У типових харчових ланцюгах, що включають паразитів, останні
стають меншими за розмірами на кожному наступному рівні.
5. Як моделюються ситуації «конкуренція» і «Співіснування» в екосистемі? До яких висновків можна перейти, використовуючи математичні моделі? При співіснуванні чи конкуренції різні види не харчуються однієї і тієї ж їжею, не поїдають один одного, розмножуються в різних місцях. Тоді рівняння для чисельності записуються як:
Ситуація ускладнюється, якщо види живуть або намагаються жити за рахунок одного і
того ж джерела їжі або залежать від одних і тих же життєвих умов. Наприклад, рослини, извлекающие
фосфор з грунту. При цьому одні закривають листям інші, позбавляючи їх сонячного світла, або птиці, які будують гнізда в одних і тих же дуплах і т.п.
Математично це
відповідає встановленню генерації в лазері або автокаталітіческій реакції між двома групами молекул. Рішення показує, що виживе тільки один тип, найбільш пристосований. Це виживання може бути досягнуто поліпшенням індивідуальних констант і адаптацією. Якщо перекриваються джерела їжі N, M:
,
де
- Швидкості надходження їжі, а
- Збиток їжі за рахунок внутрішніх причин типу гниття. Розглядаючи праві частини рівнянь («сили») у площині m, n, можна знайти умови, при яких можливе співіснування. Узагальнення на
випадок багатьох видів і джерел їжі виробляється аналогічно. Тому зрозуміло, яку важливу роль відіграють
екологічні ніші для виживання видів і чому види так пристосовані до них.
6. Як моделюється ситуація «хижак-жертва»? До яких висновків можна прийти, використовуючи математичну модель? Прикладом аналізу ситуації «хижак-жертва» може служити
еволюція чисельності зайців і вовків, яка характеризується
коливаннями за часом. Абстрагуючись від різних обставин, так чи інакше впливають на число звірів, можна проаналізувати найважливішу залежність: зайці їдять траву, а вовки - зайців. Якщо б жили одні зайці, і корми було достатньо, то їх чисельність зростала б за експоненціальним законом, а якби жили тільки вовки, то вони вимирали б за тим же законом. При їх спільному існуванні швидкість зміни чисельності зайців і вовків пов'язана з частотою їх зіткнення, тобто пропорційна кількості тих і інших з деяким коефіцієнтом.
Зростання чисельності зайців призводить до збільшення
харчування для вовків, але зменшує кількість трави, так що незабаром чисельність вовків виростає, а зайців - зменшується. Кількість трави збільшується, але запаси їжі для вовків зменшуються, і їх чисельність падає. Тоді поголів'я зайців знову зростає, і процес повторюється. Режим коливань з певним періодом виявляється стійким. Рівняння, що описують таку систему:
,
де перше рівняння описує число жертв n, друге - число хижаків m.
Ці рівняння мають періодичний розв'язок. Стаціонарне рішення відповідає повного вимирання, і воно єдине стійке. У природі таке може трапитися, але біологи вказують на можливість тварин-жертв знайти притулок, не доступне хижакам, так що деяка частина їх виживе. Модель може ускладнюватися введенням декількох типів жертв, якими може харчуватися один хижак, та іншими варіантами.
7. Як моделюється ситуація «симбіоз»? До яких висновків можна прийти, використовуючи математичну модель? Симбіоз відображає кооперацію окремих видів у боротьбі за існування, коли один вид допомагає або протегує іншому (як, наприклад, кооперація бджіл або дерев). Оскільки швидкість
розмноження одного виду залежить від наявності іншого, то, нехтуючи внутрішньовидових придушенням
, Маємо:
.
Тут стаціонарний випадок відповідає n = m = 0. У цих простих схемах не вистачає дуже багатьох факторів - зміни
клімату і погоди, зв'язку віку особини і смертності, коливань запасів їжі в різні пори року і на різних
територіях і т.д. Але використання навіть простих моделей за різних, емпірично врахованих тих чи інших параметрах дає цікаві результати.
Будуючи
математичні моделі і проводячи польові
випробування, вчені намагаються зрозуміти, яким чином паразити та їх
господарі коеволюціоніровалі в тісні спільноти. Комп'ютерні моделі цих процесів відповідає «гонці озброєнь» в ході еволюції. Паразити повинні весь час пристосовуватися, щоб отримати від
хазяїна більше
ресурсів для зростання своєї
популяції, а
господар всіляко намагається цього не допустити. Біологи-еволюціоністи вважають, що існування підлог з еволюційної точки зору невдало, і статеві відмінності мали б поступово зникнути, але цього не відбувається. Ймовірно, тому, що стать є якимось «секретною зброєю", що зберігає велику
стійкість господаря: адже паразит пристосовується зазвичай до певної її типу. Як тільки господарі стають
жертвами, чисельність менш поширених типів господарів збільшується, і навпаки.
8. Яку роль у біотичному круговерті грають мікроорганізми, чи є вони необхідними для життя на Землі і чому? Біотичний кругообіг - основа існування біосфери. Головний елемент кругообігу - здатність одних організмів харчуватися іншими або їх відходами. Особливо велика в цьому вирі роль мікроорганізмів, які перетворюють рештки тварин і рослин в мінеральні солі і найпростіші органічні сполуки, знову використовуються зеленими рослинами для синтезу нових органічних речовин. При руйнуванні складних органічних сполук вивільняється енергія, втрачається інформація, властива складно організованим істотам. Мікроорганізми при цьому відіграють двояку роль: вони швидко пристосовуються до різних умов життя і можуть використовувати різні субстрати в якості джерела вуглецю і енергії.