Закономерности действия факторов среды на организмы

Тема. Основы экологии.

Автор: Козленко А.Г.

Тип урока. Комбинированный урок (школьная лекция с закреплением материала).

Цели урока.

1. Дать общие представления о характере воздействия абиотических факторов на организм, понятие лимитирующего фактора, взаимодействие факторов.

2. Продолжить формирование навыков работы с информацией, ее усвоения при разных формах предъявления (в т.ч. в виде интерактивных моделей)

Основные понятия. Абиотические факторы, лимитирующий фактор, пределы толерантности, экологическая ниша

Мировоззренческий и развивающий аспекты урока. Формирование научного мировоззрения о сущности биологических процессов и явлений: взаимодействие факторов и их воздействие на организмы.

Межпредметные связи на уроке.

• География: состав и структура почвы.

Использование новых информационных технологий. Объекты электронного пособия «Открытая Коллекция. Биология, 9 класс» (раздел «Экологические факторы», подраздел «Основные абиотические факторы»)(Windows,Linux)

Основные абиотические факторы

План урока.

Методические комментарии.

Т.к. данный урок – второй в теме (ему предшествует урок «Среды жизни на Земле и экологические факторы воздействия на организмы»), то основное деление факторов было дано на предыдущем уроке, и его надо лишь актуализировать. Данный урок посвящен особенностям действия именно абиотических факторов среды. По форме он представляет собой школьную лекцию-беседу с опорой на материал электронной коллекции: все объекты коллекции (рисунки, модели, задания) образуют цельный каркас урока (а некоторые могут использоваться для самостоятельной исследовательской работы).

I. Организационный момент. Актуализация знаний

При актуализации знаний стоит обратить внимание как на актуализацию общих представлений о средах жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной и внутриорганизменной), определения экологического фактора и классификации факторов среды.

Т.к. определение экологического фактора достаточно широко («Экологический фактор — отдельная характеристика среды, определенное явление, процесс или свойство, которые могут влиять на изучаемый организм»), можно обсудить их на более конкретном примере (цветка в горшке или рыбок в аквариуме). Именно с деления факторов на группы начинается беседа по новому материалу.

II. Изучение нового материала. Абиотические факторы и их взаимодействие

А. Классификация абиотических факторов

Рассматриваются по рисунку «Абиотические факторы экосистем суши» Коллекции:

Абиотические факторы экосистем суши (схема)

Учитель рассказывает о факторах и их воздействии, приводя примеры. Заканчивается рассказ беседой о факторах, которые важны для водных экосистем (удобно делать метки маркером интерактивной доски по этой схеме, превращая ее в схему сравнения условий двух сред обитания – водной и наземно-воздушной). Особенно важно отметить роль количества кислорода в воде для пресных водоемов – это будет использовано в одном из фрагментов нового материала.

Б. Понятие лимитирующего фактора и закон минимума Либиха

Проблемы, возникающие у растений при недостатке отдельных элементов питания, были описаны давно (демонстрация рисунка Коллекции «Недостаток минеральных веществ»). В 1840 году немецкий агрохимик Юстус Либих, который изучал минеральное питание растений, сформулировал так называемый закон минимума. Исходная формулировка этого закона афористична: «урожай управляется фактором, находящимся в минимуме». В более развернутой формулировке он может быть сформулирован так: «На рост и развитие организма наибольшее влияние оказывает тот ресурс, доля обеспеченности которым минимальна» или «Выживание организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей» (демонстрация рисунка Коллекции «Бочка Либиха», выполнение – в виде беседы – задания «Бочка Либиха и лимитирующие факторы», после этого общими усилиями формулируется определение лимитирующего фактора: сравните с определением ниже и обратите внимание, что к подчеркнутому в определении тезису учеников нужно подвести).

Фактор, небольшие изменения которого оказывают наибольшие воздействия на рассматриваемые организмы, и который в силу этого определяет предел их развитию или распространению, называется лимитирующим (ограничивающим).

В. Принцип толерантности Шелфорда

Однако лимитировать развитие организмов может не только недостаток, но и избыток фактора. В 1913 г. американский эколог Виктор Шелфорд выдвинул принцип экологической толерантности, ограниченный нижней и верхней критическими точками, внутри которого можно выделить зоны угнетения и благополучия (см. рис. Коллекции «Зависимость между жизнедеятельностью вида и интенсивностью фактора среды»). Поскольку неблагоприятными (и лимитирующими) могут быть как высокие, так и низкие значения условий, реакция организма оказывается нулевой и при низких, и при высоких его значениях.

Принцип Шелфорда можно выразить так. Среди возможных значений любого условия можно выделить промежуток, в котором может существовать рассматриваемый организм (зону толерантности). Оптимальное значение условия находится внутри этого диапазона. Чем дальше значение условия от оптимума, тем сильнее его неблагоприятное действие на организм. Лимитирующим оказывается тот из факторов, значение которого сильнее всего отклоняется от оптимального.

Г. Термины, описывающие толерантность

Материал можно дать как необязательный, но «конструирование» терминов обычно воспринимается легко. Используется модель Коллекции «Группы организмов по адаптациям к абиотическим факторам».

Группы организмов по адаптациям к абиотическим факторам (интерактивная схема)

Различные организмы отличаются как по ширине, так и по значению характерных для них диапазонов толерантности. Широту диапазона толерантности показывает приставка «эври-», узость — «стено-». На приспособленность к высоким значениям рассматриваемого фактора указывает приставка «поли-», к низким — «олиго-».

Таким образом, в отношении температуры среди организмов можно выделять эвритермы, стенотермы, олиготермы и политермы. Веслоногий рачок Copilla mirabilie не выдерживает температуры за пределами 23–29°С, а лиственница Гмелина (Larix gmelinii) выносит колебания температуры от +30°С до –70°С. (Оба объекта – в верхнем ряду модели).

Корень «галинность» используется в терминах, описывающих толерантность к солености, «оксибионтность» — к содержанию кислорода в воде, «гигричность» — к влажности и т.д. В отношении общей широты экологических ниш могут быть выделены эврибионты и стенобионты. Так, форель является стенооксибионтом и полиоксибионтом, а карась — эвриоксибионтом (Оба объекта – в нижнем ряду модели).

Российский ботаник и эколог Леонтий Григорьевич Раменский сформулировал принцип индивидуальности (точнее было бы сказать – уникальности) экологии видов, согласно которому каждый вид характеризуется уникальными особенностями в требованиях, предъявляемых к среде своего обитания.

Д. Экологическая ниша

Экологическая ниша как совокупность всех экологических потребностей вида. Ниша складывается из воздействий нескольких разных факторов, что можно представить (до определенного предела) графически. В качестве первого шага мы откладываем на линейной оси диапазон толерантности интересующего нас вида, соответствующий какому-то фактору. Вторым шагом мы добавляем еще одну ось, соответствующую какому-то иному важному для этого организма фактору, и откладываем на этой оси соответствующий ей диапазон толерантности. (Рисунок Коллекции «Зоны толерантности и экологически ниши»). После того, как мы охарактеризовали пределы толерантности для двух факторов, добавим к ним третий, четвертый… — столько, сколько нужно, чтобы охарактеризовать основные запросы данного вида.

Указать, что факторы взаимодействуют между собой: недостаток одного фактора может вызывать снижение предела толерантности к другому, и, наоборот, один фактор может компенсировать недостаток другого.

Пример - модель Коллекции «Основные абиотические факторы»: в ней показано, как на урожайность влияют разные абиотические факторы.

Модель «Основные абиотические факторы», показывающая воздействие отдельных факторов на рост и развитие растений

III. Обобщение знаний. Формирование умений и навыков

Закрепить изученный материал можно с помощью заданий к разделу. Предлагается такая последовательность заданий:

1. Фактор, лимитирующий рост пшеницы («Какое из перечисленных веществ с наибольшей вероятностью будет лимитировать рост пшеницы на поле?» - молекулярный азот, молекулярный кислород, ионы калия, углекислый газ).

2. Основные понятия факториальной экологии («Расположите обозначения к графику, показывающему зависимость численности особей при разных значениях действующего на популяцию экологического фактора»)

Интерактивное задание «Основные понятия факториальной экологии»

1. Диапазоны толерантности («В терминах, описывающих толерантность организмов к экологическим факторам, установите соответствие между приставками и их значением») и Факторы толерантности («В терминах, описывающих толерантность организмов к экологическим факторам, установите соответствие между корнями и их значением.»).

2. Границы толерантности («Для роста пшеницы нужна температура от 0 (нижняя граница, минимум) до 42 °С (верхняя граница, максимум), для фасоли — от 9 до 46 °С, для клена остролистного — от 7 до 36 °С, для бактерии сенной палочки — от 5 до 57 °С, для туберкулезной бактерии — от 29 до 41 °С, для жизни муравья рыжего — от 1,5 до 50 °С. Какие из этих организмов стенотермные?») – задача.

Обратить внимание на то, что некоторые задания являются параметризованными, то есть при новом включении дистракторы перемешиваются и встают на новые места.

Взаимодействие факторов можно обсудить по рисунку Коллекции «Изменение биомассы организмов в течение года в озере», на нем можно выделить маркером интерактивной доски основные периоды в развитии продуцентов и предложить выяснить, какие факторы ограничивают выживание растений в разные периоды года. Его можно перенести на домашнее задание.

Рисунок «Изменение биомассы организмов в течение года в озере» с пометками учителя для решения проблемной задачи

IV. Рефлексия

Подведение итогов урока, обсуждение того, что наиболее значимо и наиболее ново (особенно в плане прироста общеучебных умений и навыков).

V. Домашнее задание

К материалу параграфа и общим вопросам можно прибавить (если позволяют условия) исследование модели Коллекции «Основные абиотические факторы».

В модели можно изменить значения каждого из факторов. Необходимо:

1. Ответить на вопросы:

А) Какие факторы ограничивают развитие растений в точках А, В, C, D (точки в углах ромба, на расстоянии по 1 клеточке от осей)? OK_bio9_d_z.jpg

Б) Можно ли считать лимитирующим фактором действие солей тяжелых металлов?

В) К каким абиотическим факторам у рассматриваемого растения узкие пределы толерантности, а каким – широкие? Какими терминами можно назвать этот вид растений?

Г) Какие примеры взаимодействия факторов можно найти в модели?

1. Найти, какой максимальной урожайности (и при каких значениях всех факторов) можно добиться? Для ответа надо подсчитывать площадь верхнего «плато» - количество темно-зеленых квадратиков и треугольников.