Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Биология / Конспекты / Интегрированный урок биологии- информатики "Динамика популяций"

Интегрированный урок биологии- информатики "Динамика популяций"


  • Биология

Поделитесь материалом с коллегами:

Интегрированный урок по биологии и информатике

Тема урока: "Динамика популяций"

Класс: 10Б

Учителя: С.А. Арсланова – учитель биологии, Л.Б. Лапина – учитель информатики


Цель: изучить особенности функционирования единой системы, рассмотреть демографические показатели, с помощью электронных таблиц построить модель ограниченного и неограниченного роста популяций.


Задачи:

1. Сформировать у учащихся знания о динамике популяций как о необходимом атрибуте жизни организма, способе их адаптации к постоянно меняющимся условиям существования, ознакомить с характерными типами роста популяций как с общими свойствами, передающими их способность к восстановлению численности, сформировать знания о характере колебаний численности популяций некоторых видов организмов и об их сложной структуре; ознакомить учащихся с явлением регуляции численности и значением этого явления.

2. Способствовать закреплению понятий и навыков математического моделирования, формированию навыков работы с программой «Электронные таблицы; Excel».


Оборудование: Карточки с заданиями по биологии и информационные карты по информатике, таблицы, компьютеры, программное обеспечение - Excel, медиапроектор. Презентация «Динамика популяций»

Ход урока


Учитель биологии:


В настоящее время наиболее яркие открытия происходят на стыке наук. Возникают новые науки: биоинженерия, бионика, биоинформатика. Это яркий пример интеграций наук. Сегодня на уроке мы с вами совместим материал биологии и информатики по теме: «Динамика популяций», с использованием компьютерных технологий.

  1. Организационный момент.

  2. Актуализация знаний.


* Что является структурной единицей вида и эволюции?

* Дайте определение понятия «популяции».

* Приведите примеры популяций.

*Определите, является ли популяцией сообщество птиц в считалке: На деревьях сидели галка, две вороны, соловей и хохлатый воробей?

Вы знаете, что популяции - это основные элементы каждой экосистемы. В биотических сообществах каждая популяция играет отведенную ей роль, составляя с популяциями других видов, некое природное единство, развивающееся по своим законам. Какой основной закон определяет жизнь организмов? (Борьба за существование)

Какие взаимоотношения встречаются в популяциях? Определите по строчкам из стихотворений.

1. Орёл бьёт сокола, а сокол бьёт гусей,

Страшатся щуки крокодила;

От тигра гибнет волк, а кошка ест мышей.

Всегда имеет власть над слабостию сила…

(А.С.Пушкин)

(Межвидовая борьба)


2.Лес кругом. Широкая поляна…

На траве зелёной у кургана

Жаркий бой ведут тетерева… (П.Усачёв)

( Внутривидовая борьба)


3.И раки не живут без драки. (Пословица)

(Внутривидовая борьба)


4.А знаете, друзья, что ёж

Был с мягкой шёрсткою когда-то?

Но объявилась вдруг лиса,

Защёлкали зубами волки,-

И стали колкими глаза,

И выросли иголки.( А. Марков)

(Межвидовая борьба)


5.Была зима такая, что с ветвей

Комочком белым падал воробей,

Закованные в ледяные глыбы,

В речных глубинах задыхались рыбы…

( П._Б.Шелли, перевод С.Я.Маршака)

( Борьба с неблагоприятными условиями среды)


Какие показатели имеют большое значение для определения функционирования какой – либо популяции в определённом сообществе?

- Биомасса, плотность расселения, общая численность, скорость роста численности, продолжительность жизни, рождаемость, смертность, возрастной состав.

- Какое практическое значение имеют демографические показатели?

(это необходимо для рационального использования видов: для правильного планирования рубки леса, упорядочение промысла, охраны редких видов, изучение популяций).

Процессы изменений биологических показателей популяции называются динамикой популяций.


Итак, тема сегодняшнего интегрированного урока: «Динамика популяций».


  1. Изучение нового материала с элементами закрепления.


1. Динамика популяций как биологическое явление (рассказ учителя).

- Динамика популяций – это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени – численности, биомассы, популяционной структуры (возрастного состава). Динамика популяций – одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений. Жизнь популяции проявляется в ее динамике. Популяция не может существовать без постоянных изменений, за счет которых она как бы приспосабливается к изменяющимся условиям среды. В ходе эволюции популяции живых организмов обретают различные свойства. Некоторые из них приспособлены к существованию в суровых, но стабильных условиях, например, в пустынях, полупустынях, тундрах. Примером могут служить популяции таких растений, как саксаул, тамариск, обитающие в пустынных зонах, или некоторые виды мхов, населяющих зоны тундры.

Популяции таких организмов не приспособлены к резким изменениям условий жизни, они крайне чувствительны к возрастающему воздействию человека, легкоуязвимые и трудно поддаются восстановлению.

Популяции других организмов, обитающих в зонах умеренного климата, в особенности популяции однолетних животных (большинство насекомых) и растений (некоторые виды трав), способны выдерживать значительные нарушения условий жизни. Колебания их численности обладает очень большой амплитудой. В годы минимальной или максимальной их численность может различаться в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз.


2. Рост популяции, как характеристика ее способности к восстановлению численности, характерные типы роста. - Такие показатели, как рождаемость, смертность, возрастная структура, весьма важны, но ни по одному из них нельзя судить о росте популяции в целом. Между тем представление о росте популяций необходимы для понимания их способностей к восстановлению численности, а также для уяснения некоторых свойств динамики. Характер увеличения численности популяции может быть различным. В связи с этим выделяют 2 типа роста популяций. Их различия можно проиллюстрировать с помощью кривых, передающих характер нарастания численности популяции во времени ( слайд) На слайде изображены две кривые, одна из которых имеет J – образное, а другая S- образное начертание. В первом случае плотность популяции увеличивается с возрастающей скоростью до тех пор, пока не начнут действовать факты, ограничивающие рост.

- Ребята, какие факторы могут ограничить рост численности? (ограниченность ресурсов, абиотические факторы, антропогенное воздействие увеличения численности паразитов, хищников).

При втором типе роста популяция вначале увеличивается медленно, затем быстрее, но вскоре под влиянием сопротивления среды рост постепенно замедляется. В конце концов достигается равновесие, которое и сохраняется.

Закон роста популяции первого типа можно сформулировать в виде простого математического соотношения, согласно которому скорость прироста численности популяции ∆ N за промежуток времени ∆ Т, то есть: ∆ N/∆ Т, пропорциональна ее общей численности популяции (N); ∆ N/ ∆ Т = r ·N, где константа r характеризует скорость процесса нарастания численности. J-образная кривая называется кривой экспоненциального роста.

При S- образной кривой роста, называемым логистическим, скорость прироста численности популяции пропорциональна разности между достигнутой величиной популяции (ее плотностью в данный момент времени N) и максимально возможной плотностью в данной среде обитания (К), т.е.: ∆ N/ ∆ Т = r / (К-N).

Характерные типы роста популяций можно наблюдать, когда тех или иных животных вселяют в незанятые области или они сами переселяются в новые районы. Самовселение некоторых представителей фауны рыб (например, тюльки) можно наблюдать в водохранилищах Волги, Камы, Днепра, где их численность достигла значительных величин. Рост плотности этих популяций описывается S- образной кривой.

Экспоненциальная J-образная кривая хорошо показывает рост популяций некоторых микроорганизмов, например, грибковых дрожжей, некоторых микроскопических водорослей. В целом, чем крупнее организмы, тем ближе к логическому типу рост плотности их популяций.


4.. Закрепление знаний о типах роста.

- Определите тип роста численности.

Английский эколог Чарльз Эльтон впервые обобщил наблюдения и описал взрывы численности завезенных видов, которые он назвал «экологическими нашествиями».

Примером такого нашествия является распространение в Северной Америке и Европе колорадского жука. Этот вид родом из Мексики. Впервые его массовое размножение было описано в американском штате Колорадо, откуда он и получил свое название. В Европе первые особи были замечены в 1922 году на побережье Франции. С этого времени началось неуклонное продвижение его на восток вплоть до европейской части нашей страны.

Рост популяции колорадского жука происходит по J-образному типу.

Приведите примеры подобного роста популяций.

Примеры: рост популяций саранчи, леммингов, кроликов в Австралии.

- Что является причиной безудержного роста этих популяций?

- Если бы человек не выращивал картофель, баклажаны, помидору и другие пасленовые растения, возможен был бы такой рост?

- Какой тип роста более часто встречается в природе? Почему?


4. Колебания численности популяций. Регуляция численности, ее биологическое значение. Вами были получены задания для самостоятельного решения по теме этого урока. Объясните, те факты, которые даны в заданиях.

- Кривые роста численности популяций крайне идеализированы. На самом деле численность популяций не застывает на одном уровне, а постоянно колеблется вокруг некоторого среднего уровня в соответствии с изменяющимися условиями.


Задание 1.


Пример сезонных колебаний численности популяций дает нам хорошо знакомую картину летней природы. Тучи комаров, леса, полные птиц, поля, заросшие васильками, - все это наблюдается в теплое время года и практически сходит на нет в зимний период. Что является причиной изменения численности данных популяций? Можно ли сказать, что причины являются регуляторами численности?


Задание 2.


К наиболее известным примерам циклических колебаний можно отнести колебания численности некоторых видов грызунов (зайцев, полевок, мышей, и их хищников: полярной совы, песцов, рыси).


Что регулирует численность жертв?


Что регулирует численность хищников?


Почему колебание численности хищников опаздывает?


Задание 3.


Личинки (гусеницы) лиственничной листовертки питаются хвоей лиственницы. Колебания численности этого насекомого носят циклический характер, пики размножения происходят примерно через 4-10 лет. Колебания численности этих видов определяются и динамикой биомассы деревьев, и колебаниями численности птиц, питающимися насекомыми. По мере возрастания массы деревьев в лесу наиболее крупные и старые деревья становятся восприимчивыми к гусеницам, листовертки – почкоеда и нередко погибают от повторяющегося уничтожения листьев. Отмирание и размножение древесины возвращают в лесную почву питательные вещества. Их используют для своего развития молодые деревья, менее чувствительные к нападению насекомых. Росту молодых деревьев способствует также увеличение освещенности из-за гибели старых деревьев с большими кронами. Тем временем птицы снижают плотность листовертки. Однако в результате роста деревьев ее численность вновь начинает увеличиваться и процесс повторяется.


Каким является влияние бабочки на популяцию лиственницы (отрицательным или положительным)?


Задание 4.


Некоторые виды саранчи существуют в двух разных формах: одиночной и стадной. При изменении плотности популяции одна форма превращается в другую. Они отличаются внешне, а также по поведению настолько, что ранее их принимали за разные формы. В одиночной форме саранча живет оседло и питается умеренно. Стадная форма отличается прожорливостью, беспокойством и стремлением к перемене мест. Сначала форма передвигается большими группами по земле, а после того, как окрылится, поднимается и летит огромными тучами на расстояния в сотни и тысячи километров от мест рождения. Тем самым снимается угроза перенаселенности этих мест. Размеры стай перелетной саранчи фантастические, некоторые стадии достигали многих миллионов тонн веса. Улетевшая саранча чаще всего оседает в местах, неблагоприятных для размножения, и через некоторое время погибает.


Объясните явление.


Задание 5.


При содержании белых мышей в вольерах, когда люди следят за чистотой клеток и обеспечивают всех кормом, мыши, достигнув определенной численности, перестают размножаться. Если перевести их в более просторную клетку, тем самым снизив плотность популяций, они продолжают размножение вновь до определенного предела. При этом меняется характер поведения мышей и отношения их между собой. Зверьки становятся беспокойными и агрессивными, и это отрицательно влияет на процесс размножения.


Объясните явление.


Задание 6.


Мышевидные грызуны лемминги в Европе порой достигают такой высокой плотности, что начинают мигрировать из мест обитания. При этом известны случаи, когда животные проходили через деревни в таком количестве, что кошки и собаки, которые вначале нападали на них, просто переставали обращать внимание на орды грызунов. Достигнув моря, многие лемминги тонули. Известно также, что зайцы-беляки в периоды пика численности часто внезапно погибают от «шоковой болезни».


Какое значение имеют эти явления для популяций?


Подведение итога:

- Рост численности популяций никогда не бывает бесконечным. Почему?

- Безграничный рост губителен для любого вида, так как приводит к подрыву его жизнеобеспечения. При увеличении численности популяции включаются регуляторные системы природного сообщества – хищники, паразиты, возбудители инфекционных заболеваний. При еще более высокой плотности вступает в силу внутривидовая конкуренция. Вся эволюция видов шла в таком направлении, что выработались механизмы реакции на собственную плотность. Таким образом, на пути увеличения численности вида возникает множество последовательных преград, образующих надежную систему регуляции. Поэтому, хотя в природе миллионы видов, большинство из них не дает вспышек массового размножения.

Наука экология связана с математикой. Демографические показатели имеют математическое выражение. Это, возможно, сделать с помощью компьютера, это вы и будете делать далее с учителем информатики.

Практическая работа.

Динамику популяций отражает закон Харди –Вайнберга. Используя этот закон, решите задачи, данные на слайде.

1.Вычислите процент людей ,носителей альбинизма, если известно, что частота встречаемости альбиносов составляет 1/ 10000.

Решение. Так как аллель альбинизма – это рецессивный ген а, то аа- альбиносы. А – аллель нормы, АА, Аа – люди с нормальной пигментацией, причём Аа – носители альбинизма. Исходя из уравнения Харди – Вайнберга p2+2pq +q2=1 и частоты aaq2 имеем:

q2= 1/ 10000=0,0001, q= 0,01 или 1%.

Вычисляем частоту АА: p= 1-0,01=0,99 или 99%.

Вычислим частоту гетерозигот (носителей гена альбинизма):

2pq= 2*0,99*0,01=0,02 или 2%.

Ответ: в популяциях людей 2% являются носителями гена альбинизма.


2.В популяции 700 особей, 672 из них с доминантным признаком.Найти количество гетерозигот.

Решение. 1. найдём число рецессивных гомозигот. 700-672=28.

q2=0,04 q =0,2.

р= 1-0,2=0,8

(АА)0,82+ 2(Аа)0,8*0,2 +(аа)0,22=1

Аа=32%

Ответ: 32%.


Перерыв на перемену

Учитель информатики

  1. Организационный момент.

  2. Актуализация знаний.

Беседа: в биологии при исследовании развития биосистем строятся динамические модели изменения численности популяций различных живых существ (бактерий, рыб, животных) с учетом различных факторов. Взаимовлияние популяций рассматривается в моделях типа «хищник-жертва».

Прежде чем перейти к моделированию вспомним:

  1. Что такое модель?

  2. Назовите виды, классификации моделей?

  3. Приведите примеры моделей.

  4. Этапы решения задач на ЭВМ.

  5. Дайте определение понятию «Электронная таблица»

  6. Что такое относительная и абсолютная ссылка?

  1. Изложение нового материала.

Изучение динамики численности популяций естественно начать с простейшей модели неограниченного роста, в которой численность популяции ежегодно увеличивается на определенный процент. Математическую модель можно записать с помощью рекуррентной формулы, связывающей численность популяции следующего года с численностью популяции текущего года, с использованием коэффициента роста а:

xn+1 = a · xn

В модели ограниченного роста учитывается эффект перенаселенности, о котором мы уже говорили. Введем коэффициент перенаселенности в (в << а). Тогда коэффициент ежегодного увеличения численности равен (а - в· xn) и формула принимает вид:

xn+1 = (а - в· xn) · xn

В модели ограниченного роста с отловом учитывается, что на численность популяций промысловых животных и рыб оказывает влияние величина ежегодного отлова. Если величина ежегодного отлова равна с, то формула принимает вид:

xn+1 = (а - в· xn) – с

Как уже было сказано ранее, популяции обычно существуют не изолированно, а во взаимодействии с другими популяциями. Наиболее важным типом такого взаимодействия является взаимодействия между жертвами и хищниками. В модели «хищник-жертва» количество жертв xn и количества хищников уn. Коэффициент f характеризует возможность гибели жертвы при встрече с хищниками. В этом случае формула для расчета численности жертв принимает вид:

xn+1 = (а - в· xn) · xn – с – f (xn · уn)

Численность популяции хищников в отсутствие жертв уменьшается, что можно описать рекуррентной формулой:

yn+1 = d · xn

где d < 1 увеличение популяции хищников можно считать пропорциональной произведению собственно количеств жертв и хищников, а коэффициент е характеризует величину роста численности хищников за счет жертв. Тогда для численности хищников можно использовать формулу:

yn+1 = d · уn + е · xn · уn


Компьютерное моделирование(практическая работа)

Построим в электронных таблицах компьютерную модель, позволяющую исследовать численность популяций с использованием различных моделей: неограниченного роста, ограниченного роста.

Выполнение практической работы с использованием инструкционных карт (работа в парах по вариантам).


Лабораторная работа вариант№ 1

Модель неограниченного роста



Цель работы: Используя компьютерную модель неограниченного роста исследовать прирост массы живых организмов с течением времени.

Предположения:

  • прирост массы живых организмов за единицу времени пропорционален уже их имеющейся массе;

  • регулятором прироста выступает окружающая среда;

  • коэффициент размножения постоянен

Параметры модели:

  • начальная масса живых организмов М(0) = 1 т;

  • коэффициент размножения k:

Природная зона

Тундра

Тайга

Степь

Пустыня

Коэффициент k

0,6

1,8

1,2

0,8







  • время n.

Связь между параметрами модели задается соотношением:

М(n+1) = (1 + k) М(n)

Задача:

  1. Определить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 100 т;

  2. Определить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 1000 т, 10000 т (т.е. произойдет ее "удесятерение") ;

  3. Построить график зависимости массы растений от числа прошедших лет (для каждой природной зоны);

  4. Определить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит

массу Земли (5 976 000 000 000 000 000 000 т).



Ход работы:


А

В

C

D

E

F

1

Природная зона

Год

Тундра

Тайга

Степь

Пустыня

2

Коэффициент размножения k


0,6

1,8

1,2

0,8

3

Начальная масса М(0)

0

1

1

1

1

4

Масса через 1 год

В3+1

C3*(1+C2)

D3*(1+D2)



5

Масса через 2 года

В4+1

C4*(1+C2)

D4*(1+D2)



6







  1. Загрузите электронную таблицу Excel и занесите в таблицу 2 исходные данные (они выделены цветом) и формулы.

  2. Измените формулы в блоке ячеек C4:D5 с учетом того, что номер строки в адресах некоторых ячеек должен быть абсолютным (неизменным при копировании в последующие строки).

  3. Занесите формулы в ячейки Е4 и F4.

Подготовленную таблицу в режиме отображения формул приложите к отчету.

  1. Последовательно скопируйте блок ячеек В4:F4 в последующие строки. Копирование прекратить, как только во всех четырех столбцах C, D, E и F возникнут числа, большие 100.

Для каждой природной зоны определите, через сколько лет масса растений превысит 100 т. Результаты запишите в отчет.

  1. С помощью электронной таблицы вычислить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 1000 т и 10000 т.

Результаты запишите в отчет. Для каждой природной зоны сделайте вывод о времени, необходимом для увеличения массы растений в 10 раз.

  1. С помощью электронной таблицы вычислить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит массу Земли, равную 5 976 000 000 000 000 000 000 т.

Результаты запишите в отчет. Для каждой природной зоны сделайте вывод о времени, когда масса растений превысит массу Земли.

  1. С помощью электронной таблицы для каждой природной зоны построить график зависимости массы растений от числа прошедших лет.

Таблицу в режиме отображения значений и графики приложите к отчету.

Лабораторная работа вариант№ 2

Модель ограниченного роста



Цель работы: Используя компьютерную модель ограниченного роста исследовать прирост массы живых организмов с течением времени.

Предположения:

  • прирост массы живых организмов за единицу времени пропорционален уже их имеющейся массе;

  • существует некоторое предельное значение массы живых организмов;

  • коэффициент прироста массы живых организмов за единицу времени пропорционален разности между максимально возможным значением массы и массой, имеющейся к данному моменту времени.

Параметры модели:

  • начальная масса живых организмов М(0) = 1 т;

  • предельное значение массы живых организмов L = 11000 т.

  • коэффициент пропорциональности a в формуле для коэффициента прироста;

  • время n.

Связь между параметрами модели задается соотношением:

М(n+1) = М(n) + а М(n) (L - М(n))

k(n) = a (L - M(n))

а = k(n) / (L - M(n)), т.е. при n=0 а = k(0) / (L - M(0))

Природная зона

Тундра

Тайга

Степь

Пустыня

Коэффициент k

0,6

1,8

1,2

0,8







Задача:

  1. Определить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 100 т;

  2. Определить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 1000 т; 10 000 т (т.е. произойдет ее "удесятерение")

  3. Построить график зависимости массы растений от числа прошедших лет (для каждой природной зоны);

Ход работы:

  1. Загрузите электронную таблицу Excel и занесите в таблицу исходные данные (они выделены цветом) и формулы:


А

В

C

D

E

F

1

Природная зона

Год

Тундра

Тайга

Степь

Пустыня

2

Коэффициент размножения k

 

0,6

1,8

1,2

0,8

3

Предельное значение массы L

 

11000

11000

11000

11000

4

Коэффициент a

 





5

Начальная масса М(0)

0

1

1

1

1

6

Масса через 1 год

B5+1

C5+C4*C5*(C3-C5)

D5+D4*D5*(D3-D5)




Масса через 2 года

B6+1







  1. Измените формулы в блоке ячеек C4:D5 с учетом того, что номер строки в адресах некоторых ячеек должен быть абсолютным (неизменным при копировании в последующие строки).

Подготовленную таблицу в режиме отображения формул приложите к отчету.

  1. Последовательно скопируйте блок ячеек В4:F4 в последующие строки. Копирование прекратить, как только во всех четырех столбцах C, D, E и F возникнут числа, большие 100.

Результаты занесите в отчет. Сравните с результатами предыдущей практической работы и сделайте выводы.

  1. С помощью электронной таблицы вычислить, через сколько лет масса растений в различных природных зонах превысит 1000 т и 10000.

Результаты занесите в отчет. Сравните с результатами предыдущей практической работы и сделайте выводы.

  1. С помощью электронной таблицы для каждой природной зоны построить график зависимости массы растений от числа прошедших лет.

Таблицу в режиме отображения значений и графики приложите к отчету.


Итог урока:

Математическое и компьютерное моделирование даёт возможность прогнозирования развития популяций. Даёт возможность человеку вносить коррективы в изменение численности популяций, особенно это, актуально применительно к исчезающим видам.

Учитель биологии

За последние годы с лица земли исчезло 65 видов птиц и 150 видов млекопитающих животных. Мы люди, как рачительные хозяева должны беречь природу и приумножать.


Оценивание работы учащихся




Автор
Дата добавления 05.11.2015
Раздел Биология
Подраздел Конспекты
Просмотров498
Номер материала ДВ-126157
Получить свидетельство о публикации

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх