Практикум к курсу Экология и рациональное природопользование (110

смены поколений, интенсивность воспроизведения. Возрастная структура популяции определяет ее численность в последующих поколениях. Для выявления численности необходимо знать две основные характеристики – смертность и интенсивность размножения.

Соотношение между смертностью и плодовитостью составляет важнейшую составляющую численности популяции, т. к. эти параметры находятся в динамическом равновесии.

Рост популяции определяется в основном двумя противоположными явлениями – рождаемостью и смертностью. Некоторую корректировку вносит в это явление эмиграция и иммиграция видов.

Коэффициент роста популяции определяется как dN / dt, где N – численность популяции, t – единица времени. Коэффициент роста на особь рассчитывается как dN / N dt. Например, при расчете коэффициента роста популяции инфузорий с исходной численностью 100 экземпляров и 200 особями по истечении часа времени, мы имеем 100 / 1 = 100 в час, а коэффициент роста на особь – 100 / 100 = 1 особь в час.

Смертность особей в конкретной возрастной кагорте определяется отношением количества погибших в этом возрасте к количеству живых особей в начале промежутка времени, принимаемого за единицу отсчета. Расчет величины смертности ведется в соответствии с формулой: d = dU / dt, где dU – число погибших особей, dt – количество единиц времени. Коэффициент рождаемости – b = fn / dt, где fn – рождение новых особей в популяции, dt – количество единиц времени. Следовательно, r = d – b представляет собой коэффициент прироста изолированной популяции, в которой нет эмиграции и иммиграции. В природе коэффициент r не остается постоянной величиной, т. к. плодовитость и смертность изменяются в зависимости от условий среды и возраста животных.

Пространственное распределение особей в популяции – одна из важных особенностей, позволяющая внести существенные коррективы в характеристику состояния популяции. Распределение особей в пространстве может быть представлено тремя основными типами: случайным, регулярным и агрегированным. Чаще всего в естественных условиях обитания мы встречаемся с неравномерным распределением.

Анализ пространственного размещения особей может быть проведен разными способами. Один из них основан на сравнении дисперсии или рас-

сеяния со средним числом особей в каждой выборке.

∑ ( x – m)2 σ2 = --------------;

n – 1

где σ2 – дисперсия, n – количество выборок, m – среднее число особей в каждой выборке.

При случайном распределении σ2 и m равны, при агрегированном – σ2 > m, при равномерном распределении σ2 равна нулю.

11

Задание 3. Какой тип пространственного размещения особей одного из видов бабочки-голубянки характерен для биотопов, расположенных близ «Веневитиново» и на территории Воронежского государственного биосферного природного заповедника (ВГБПЗ) (исходные данные см. в табл. 4.1)?

Т а б л и ц а 4.1

Распределение особей одного из видов бабочки-голубянки в выборках из биотопов с разной рекреационной нагрузкой

Задание 4. Какой тип пространственного размещения особей одного из видов жуков-жужелиц характерен для биотопов, расположенных близ «Веневитиново» и на территории заповедника «Дивногорье» (исходные данные см. в табл. 4.2)?

Т а б л и ц а 4.2

Распределение особей одного из видов жуков-жужелиц в выборках из биотопов с разной рекреационной нагрузкой

Занятие 5. ТРОФИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В ЭКОСИСТЕМАХ И РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АССИМИЛЯЦИИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОДУЦИРОВАНИЯ

Трофические связи в экологических системах чрезвычайно разнообразны и сложны. Наличие определенного количества трофических групп является показателем устойчивости экосистемы, но для каждого их типа набор трофических уровней или составляющих их групп является строго определенным.

Для характеристики передачи энергии в экосистемах от одного трофического уровня к другому используют показатели эффективности ассимиляции (ЭА) и эффективности продуцирования (ЭП). ЭА показывает, какая часть энергии пищи, попавшей в пищеварительный тракт консумента, используется им в ходе роста или совершения работы. ЭП показывает, какая часть ассимилированной энергии идет на построение тела консумента, т. е. включается в новую биомассу. У разных групп животных показатели ЭА и ЭП существенно меняются при анализе передачи энергии в цепях питания разных типов экосистем. В качестве примера приведем значения показателей по ЭА и ЭП для степных экосистем по Хику и Мак-Лину (1975) (табл. 5.1).

Т а б л и ц а 5.1.

Значения показателей эффективности ассимиляции (ЭА) и эффективности продуцирования (ЭП) в модели степной экосистемы

где I – вся энергия, поступившая с пищей; А – ассимилированная энергия; Р – энергия, включенная в новую биомассу.

Задание 1. Экологическая система включает продуцентов, фитофагов позвоночных, эктотермов хищников и редуцентов. Рассчитайте, сколько

13

энергии будет ассимилировано редуцентами, если фитофаги получат с пищей 1000 кДж.

Задание 2. Сколько энергии будет овеществлено волками, если пища зайцев, которых они съели, содержала 20000 кДж энергии.

Задание 3. В экологической системе установлены следующие пищевые связи: растения – насекомые – лягушки – змеи – микроорганизмыредуценты. Сколько энергии должна содержать биомасса растений, если микроорганизмами ассимилировано 10 кДж?

Задание 4. Накопление чистой продукции 55-летних посадок сосны обыкновенной составляют 442 × 1010 кал/га. Это соответствует преобразованию в среднем около 8 × 1010 кал/га солнечной энергии в год, тогда как среднегодовая инсоляция составляет 770 × 1010 кал/га?

Определите: а) эффективность ассимиляции сосны; б) количество солнечной энергии, необходимое для выращивания 20–50-летнего леса.

Занятие 6. ВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ СООБЩЕСТВ. КОЭФФИЦИЕНТЫ ФАУНИСТИЧЕСКОГО СХОДСТВА

Существует две точки зрения на устойчивость экосистем. Одна из них базируется на понятии высокого биоразнообразия как фактора, определяющего стабильность сообщества, т. е. чем больше видов известно для какогото сообщества, тем оно стабильнее. Другая точка зрения указывает на обратные причинно-следственные связи, т. е. чем стабильность сообщества выше, тем больше усложняется его структура, а значит разнообразие видов.

Биологам, работающим в природе, хорошо известно, что многообразие видов в сообществе способствует образованию новых экологических ниш, а значит разнообразию популяций. Таким образом, многообразие старых видов порождает многообразие новых видов (Скуфьин, 1986).

Видовое разнообразие сообщества включает не только качественный состав изучаемых групп, но и количественные показатели, лежащие в основе выделения доминирующих, массовых, редких, малочисленных видов, а также видов, определяющих специфику рассматриваемого фаунистического комплекса. В связи с тем, что в экологии при сравнении разных фаун часто употребляются индексы фаунистического сходства (различия), существуют индексы фаунистического сходства, учитывающие только качественный состав, другая группа индексов дает возможность сравнить фауны с учетом количественных параметров, например обилия видов, биомассы.

Приводим формулы некоторых индексов фаунистического сходства, наиболее часто употребляемых в зоологических исследованиях. Условные обозначения приняты во всех индексах одни и те же: a – общие для двух фаунистическихкомплексоввиды; b иc – спискивидов, обитающихвкаждомбиотопе.

a

Индекс Брауна – Бланквета: I BB = ———, где b ›› c. a + b

14

Индекс IBB применяется в случае неравноценных списков, например при сравнении фаунистических списков двух биотопов, когда один их них исследовался в течение продолжительного времени, а другой – фрагментарно.

a

Индекс Симпсона – Сенкевича: I SS = ———, где b ›› c. a + c

Индекс I SS применяется чаще всего для сравнения фаунистических списков по малой составляющей, например, при сравнении списков по присутствию в них редких видов.

Индекс Чекановского – Съеренсена ( для качественных параметров): 2a

I CS = ———————,

(a + b) + ( a + c)

где а – общие для двух фаун виды, b и c – списки видов встречающихся только в одном из биотопов.

Индекс ICS применяется для сравнения фаунистических комплексов, обитающих в биотопах, границы которых соприкасаются или возможно

Индекс IK применяется для сравнения двух неравноценных списков или неравномерного распределения. Неравноценность списков в этом случае подразумевает не методические погрешности, а объективные условия, приведшие фаунистические комплексы к неравноценному состоянию.

a Индекс Жаккара: IJ = -------------.

a + b + c

Индекс Жаккара (IJ) применяется при сравнении фаунистических комплексов, обитающих на территориях, не сообщающихся друг с другом, или для сравнения комплексов малоподвижных форм, сообщение между популяциями которых невозможно или затруднено.

Задание 1. Каково сходство фаун короткоусых двукрылых насекомых кальцефитных биоценозов заповедников «Дивногорье» и «Галичья гора» с учетом доминирующих по численности видов (исходные данные см. в табл. 6.1)? Насколько велика общность происхождения рассматриваемых комплексов?

15

Т а б л и ц а 6.1

Распределение видов короткоусых двукрылых насекомых по некоторым биотопам заповедников «Дивногорье» и «Галичья гора»

Количество общих для двух биотопов видов: АБ – 28; АВ – 21; АГ –

27; АД – 18; АЕ – 16; АЖ – 12; АЗ – 8; БВ – 19; БГ – 20; БД – 12; БЕ – 16; БЖ – 10; БЗ – 9; ВГ – 21; ВД – 12; ВЕ – 10; ВЖ – 10; ВЗ – 6; ГД – 12; ГЕ – 10; ГЖ – 11; ГЗ – 7; ДЖ – 20; ДЕ – 32; ДЗ – 24; ЕЖ – 21; ЕЗ – 24; ЖЗ – 24.

Количество общих для двух биотопов доминирующих видов: АБ – 4;

АВ – 6; АГ – 4; АД – 9; АЕ – 3; АЖ – 2; АЗ – 3; БВ – 5; БГ – 2; БД – 6; БЕ – 2; БЖ – 2; БЗ – 3; ВГ – 5; ВД – 4; ВЕ – 3; ВЖ – 2; ВЗ – 4; ГД – 5; ГЕ – 3; ГЖ

– 2; ГЗ – 1; ДЖ – 6; ДЕ – 3; ДЗ – 4; ЕЖ – 2; ЕЗ – 3; ЖЗ – 6.

Задание 2. Каково сходство фаун жуков-жужелиц, собранных в окрестностях биостанции ВГУ и на территории Воронежского государственного заповедника (ВГБПЗ), если обе этих территории расположены в пределах одного лесного массива (исходные данные см. в табл. 6.2)?

Т а б л и ц а 6.2

Распределение видов жуков-жужелиц по некоторым биотопам в окрестностях биостанции ВГУ и Воронежского государственного заповедника (ВГБПЗ)

Количество общих для двух биотопов видов: АБ – 20; АВ – 21; АГ –

15; АД – 12; АЕ – 10; БВ – 24; БГ – 12; БД – 11; БЕ – 10; ВГ – 12; ВД – 10; ВЕ – 8; ГД – 21; ГЕ – 12; ДЕ – 10.

Задание 3. Насколько сходны фауны прямокрылых насекомых, обитающих в луговых биотопах правого и левого берегов р. Усманка в окрестностях биостанции ВГУ (исходные данные см. в табл. 6.3)? Насколько велика общность происхождения рассматриваемых комплексов?

16

Т а б л и ц а 6.3

Распределениевидовпрямокрылыхнасекомыхполуговымбиотопамправого и левого берегов р. Усманка в окрестностях биостанции ВГУ

Количество общих для двух биотопов видов: АБ – 6; АВ – 5; АГ – 5; АД–

3; АЕ – 2; БВ – 7; БГ – 5; БД – 3; БЕ – 3; ВГ – 5; ВД – 4; ВЕ – 3; ГД – 6; ГЕ – 2; ДЕ– 2.

Задание 4. Насколько сходны фауны жесткокрылых насекомых, обитающих в плодовых телах грибов-трутовиков в окрестностях биостанции ВГУ (исходные данные см. в табл. 6.4)? Насколько велика общность происхождения рассматриваемых комплексов?

Т а б л и ц а 6.4

Распределение видов жесткокрылых насекомых по плодовым телам грибов-трутовиков в окрестностях биостанции ВГУ

Количество общих для двух биотопов видов: АБ – 7; АВ – 1; АГ – 5;

АД – 1; АЕ – 4; АЖ – 1; АЗ – 3; БВ – 2; БГ – 5; БД – 1; БЕ – 4; БЖ – 1; БЗ – 2; ВГ – 2; ВД – 1; ВЕ – 3; ВЖ – 0; ВЗ – 2; ГД – 2; ГЕ – 3; ГЖ – 1; ГЗ – 3; ДЕ – 2; ДЖ – 1; ДЗ – 2; ЕЖ – 1; ЕЗ – 2; ЖЗ – 2.

Занятие 7. РАДИАЦИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЕ УРОВНЯ

В природе есть небольшое количество химических элементов, ядра атомов которых распадаются самопроизвольно. Этот процесс сопровождается ионизирующим излучением в виде альфа-, бета- и гамма-излучений.

Альфа-излучение – это поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), движущихся со скоростью около 20000 км/с. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью. Пробег в воздухе не превышает 11 см. В мягких тканях человека пробег альфачастиц измеряется микронами.

17

Бета-излучение – поток отрицательно заряженных частиц (электронов). Их скорость приближается к скорости света. По сравнению с альфаизлучением они обладают большей проникающей способностью.

Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Оно обладает большой проникающей способностью и малым ионизирующим действием.

Самопроизвольный распад ядер атомов некоторых химических элементов назвали радиоактивностью, а сами элементы и их излучения – соответственнорадиоактивнымиэлементамиирадиоактивнымиизлучениями.

Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств: способность проникать через материалы различной толщины и ионизировать воздух и живые клетки организмов.

Для оценки биологических эффектов при действии ионизирующих излучений на живые организмы принято использовать понятие поглощенной дозы, т. е. средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, находящемуся вэлементарномобъеме, кмассевеществавданномобъеме.

D = dmda ,

В системе СИ за единицу поглощенной дозы принимается Грей (Гр). 1 Грей – это такая поглощенная доза, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию в 1 Дж:

1 Гр = 1 Дж/кг.

Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 рад = 10–2 Гр или 1 Гр =100 рад.

Важным параметром, определяющим радиационную обстановку на территории, загрязненной гамма–излучающими радионуклидами, является экспозиционная доза. Экспозиционная доза – это мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, когда поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц, образованных фотонным излучением в том же объеме среды:

X = dmdQ ,

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является 1 кулон на килограмм. Внесистемной, но широко используемой единицей экспозиционной дозы является рентген (Р). Рентген – это такая доза гамма-излучения, при которой в 1 см3 воздуха при нормальных физических условиях (температуре воздуха tвоздуха равной0 °С, давлении760 ммрт. ст.) образуется2,08 109 парионов.

1 Р = 2,58 10–4 кл/кг 1 кл/кг = 3,88 103 Р,

18

Для разных видов излучения биологический эффект, при прочих равных условиях (в т. ч. при одинаковой поглощенной дозе), оказывается различным. Основной величиной для оценки биологического действия излучения любого состава является эквивалентная доза. Эквивалентная доза – это поглощенная доза (Д) в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения (W):

H = D • W.

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является Зиверт (Зв). Внесистемной единицей эквивалентной дозы является биологический экви-

валент рада (БЭР).

1 Зв = 100 рад.

Величины взвешивающих коэффициентов приведены в табл. 7.1.

Т а б л и ц а 7.1

Оперативный контроль радиоактивной обстановки, которая определяет опасность воздействия облучения, а также планирование мероприятий биологической защиты и ее эффективности, осуществляют по величине мощности дозы.

Биологическое действие радиоактивных излучений характеризуется ионизацией атомов и молекул организма, в результате чего происходит разрыв нормальных молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений. Это, в свою очередь, ведет к нарушению нормальных биологических процессов обмена веществ в живых клетках.

Любой вид ионизирующих излучений вызывает биологические изменения в организме как при внешнем облучении (источник находится вне организма), так и при внутреннем облучении. Биологический эффект ионизирующих излучений зависит от величины суммарной дозы и времени воздействия излучения, от вида радиации, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма.

В случае неравномерного облучения организма человека необходимо учитывать различную радиочувствительность биологических тканей и органов. Условия неравномерного облучения могут возникнуть при проникновении в организм человека (или животного) йода-131. Этот радионуклид практически полностью сосредотачивается в щитовидной железе и основная дозовая нагрузка будет приходиться на этот орган. То же происходит

19

при накоплении кальция-45, стронция-90, радона-226: они концентрируются в минеральной части скелета и могут длительное время служить источником внутреннего облучения организма. Отсюда следует гигиеническое правило номер один – при выпадении даже слаборадиоактивных атмосферных осадков защищать свои выступающие «минеральные части скелета» – это прежде всего кости черепа, принимающие на себя основное количество осадков и при этом защищенные всего лишь тонким кожным покровом. Любой головной убор, а лучше зонт или другая защита от дождя предохранят вас от ненужной дозы радиации.

Все живое на земле находится под воздействием радиационного фона. Он складывается из двух составляющих: естественного фона и, так называемого, техногенного, который является следствием технической деятельности человека. Естественный фон формируется за счет излучения из космоса и излучения радиоактивных элементов земной коры: урана, радия, тория и др. Вследствие использования в строительстве материалов с включениями естественных природных радионуклидов некоторые объекты гражданской городской застройки показывают уровни выше, чем окружающие их здания и ландшафт. Такими причинами могут быть прежде всего гранитные ступени и облицовка, использование кварцевого песка при производстве бетонных блоков и силикатного (белого) кирпича. В любом случае при работе на местности с прибором СРП-88Н обратите внимание на то, что показания его будут различными, но не выше, чем в приведенной табл. 7.2, где приведены допустимые значения мощности дозы гаммаизлучения (НРБ-96). Используйте эти данные для выводов.

Методы измерения ионизирующих излучений

Для обнаружения и измерения ионизирующих излучений используют следующие методы: фотографический, химический, ионизационный, сцинцилляционный.

В данной лабораторной работе для измерения ионизирующих излучений использован сцинцилляционный метод, который заключается в следующем: некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий) под воздействием ионизирующих излучений светятся. Количество вспышек пропорционально мощности дозы излучения и регистрируется с помощью фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). В ФЭУ энергия этих световых вспышек (сцинцилляций) через посредство фотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока.

20