Тема. Біорізноманітність: рівні, типи,
біологічне й практичне значення біорізноманітності. Методи вивчення
біорзноманітності.
Мета: вивчити поняття
«біорізноманітність», установити рівні й типи біологічної різноманітності,
розкрити її значення, формувати свідоме розуміння актуальності проблеми біорізноманітності
в сучасному світі, проаналізувати
особливості методів вивчення біорізноманітності.
Поняття: біорізноманітність, екологія, екологічна криза, глобальна екологічна
криза, екологічна катастрофа, продуценти, консументи, редуценти.
Тип уроку: урок
засвоєння наукових знань і знань про способи діяльності.
Хід уроку
n I. Організаційний момент
n II. Мотивація навчальної діяльності
ü Бесіда
— Що таке різноманітність?
• Різноманітність
— це прогрес, розвиток, еволюція. Щось нове можна отримати тільки з різного —
атомів, думок, ідей, культур, генотипів, технологій. Якщо довкола все однакове,
то звідки взятися новому? Уявіть собі, що наш Усесвіт складається тільки з
однакових атомів (наприклад Гідрогену) — хіба ми з вами змогли б при цьому
з’явитися на світ?
• Різноманітність
— це стійкість. Саме взаємопов’язані й узгоджені дії різних за функціями
складників дають змогу будь-якій складній системі чинити опір зовнішнім
впливам. Система з однакових елементів подібна до гальки на пляжі — вона стійка
лише до наступної набіглої хвилі.
• Різноманітність
— це життя. Одне покоління змінює інше лише тому, що всі ми маємо різні
генотипи. Не випадково споконвіку всі релігії світу накладали якнайсуворіше
табу на шлюби з близькими родичами. Саме завдяки цьому зберігалася генетична
різноманітність популяції, без якої — прямий шлях до виродження й зникнення
людини з лиця землі.
Якщо уявити, що у світі зникла різноманітність,
то разом з нею ми втратимо здатність до розвитку, стійкість, власне життя. Моторошне видовище,
чи не так?
Інакше кажучи, поставивши перед собою зовсім
наївне на перший погляд запитання, ми отримуємо несподіваний для багатьох висновок:
різноманітність — визначальний фактор існування всього живого на нашій планеті.
ü Повідомлення теми уроку, постановка мети й завдань уроку
n III. Вивчення нового матеріалу
1. Що таке біологічна різноманітність?
ü Розповідь учителя
У матеріалах ухваленої Конвенції про біологічну
різноманітність чимало країн-учасниць Конференції ООН з навколишнього
середовища й розвитку (у Ріо-де-Жанейро, 1992) дали таке визначення
різноманітності: «Біологічна різноманітність — це вся різноманітність живих
організмів з усіх середовищ, включно з наземними, морськими та іншими водними
екосистемами й екологічними комплексами, що містяться в них; різноманітність
усередині видів, між видами й екосистемами».
Збереження біологічної різноманітності —
головне завдання біології. За визначенням, сформульованим Усесвітнім фондом
дикої природи (1989), біологічна різноманітність — це «вся різноманітність форм
життя на Землі, мільйонів видів рослин, тварин, мікроорганізмів з їхніми
наборами генів і складних екосистем, що утворюють живу природу».
Таким чином, біологічну різноманітність слід
розглядати на трьох рівнях.
2. Рівні біорізноманітності
ü Розповідь учителя
Різноманітність можна розглядати як
найважливіший параметр біосистем, пов’язаний з їхніми життєво важливими
характеристиками, що є критеріями ефективності й екстремалізуються в ході
їхнього розвитку (стійкість, зростання ентропії тощо). Екстремальне (максимальне
або мінімальне) значення критерію ефективності біосистеми досягається при оптимальному
рівні різноманітності. Іншими словами, біосистема досягає своєї мети при
оптимальному рівні різноманітності. Зниження або збільшення різноманітності
порівняно з її оптимальним значенням призводить до зниження ефективності,
стійкості або інших життєво важливих характеристик біосистеми.
Критичні, або допустимі, рівні різноманітності
визначаються тією самою залежністю між критерієм ефективності системи та її
різноманітністю. Очевидно, існують такі значення критерію ефективності, при
яких система перестає існувати, наприклад мінімальні значення стійкості або
енергетичної ефективності системи. Ці критичні значення відповідають рівням
різноманітності системи, які і є гранично допустимими, або критичними,
рівнями.
Можливість існування оптимальних значень
різноманітності в біосистемах популяційного й біоценотичного рівнів показана на
емпіричних даних і результатах моделювання біорізноманітності. Сьогодні
уявлення про критичні рівні різноманітності є одним з теоретичних принципів
охорони живої природи (концепції мінімальної чисельності популяції, критичних
рівнів генетичної різноманітності в популяціях, мінімальної площі екосистем
тощо).
3. Типи біорізноманітності
ü Розповідь учителя
Як основу можна виокремити три типи
різноманітності:
— екосистеми й ландшафти (різноманітність
місцеіснувань);
— види тварин, рослин грибів, лишайників і
бактерій (різноманітність видів);
— генофонд (генетична різноманітність).
Особливий інтерес становлять таксономічно
ізольовані види, не схожі на інші й тому унікальні за своєю генетичною
конституцією. Ці види часто ендемічні, тобто обмежені в поширенні одним
районом. Їхнє вимирання буде означати ще більшу втрату глобальної біорізноманітності.
Біологічна різноманітність на видовому
рівні охоплює всю сукупність видів на Землі від бактерій і найпростіших
до царства багатоклітинних рослин, тварин і грибів. У більш дрібному масштабі
біологічна різноманітність включає генетичну різноманітність видів, утворену як
географічно віддаленими популяціями, так і особинами всередині однієї й тієї
самої популяції.
Біологічна різноманітність включає також
різноманітність біологічних угруповань, видів, екосистем, сформованих
угрупованнями, та взаємозв’язки між цими рівнями.
Для безперервного виживання видів і природних
угруповань необхідні всі рівні біологічної різноманітності, усі вони важливі й
для людини. Різноманітність видів демонструє багатство еволюційних та
екологічних адаптацій видів до різних середовищ.
Значення. Видова різноманітність є для людини
джерелом різноманітних природних ресурсів. Наприклад, вологі тропічні ліси з
їхнім надзвичайно багатим набором видів створюють дивовижну різноманітність
рослинних і тваринних продуктів, які можна використовувати як їжу, у
будівництві та медицині.
Генетична різноманітність
Генетична внутрішньовидова різноманітність
незрідка забезпечується репродуктивною поведінкою особин усередині популяції. Популяція
— це група особин одного виду, які обмінюються генетичною інформацією між собою
і дають плідне потомство. Вид може включати одну або більше популяцій.
Популяція може складатися як із кількох особин, так і з мільйонів.
Особини всередині популяції зазвичай генетично
відрізняються одна від одної. Генетична різноманітність пов’язана з тим, що
особини мають гени з незначними відмінностями — ділянками хромосом, які кодують
певні білки. Варіанти гена відомі як його алелі. Розходження виникають при
мутаціях — змінах у ДНК, що перебуває в хромосомах конкретної особини. Алелі
гена можуть по-різному впливати на розвиток та фізіологію особини. Селекціонери
сортів рослин і порід тварин, добираючи певні генні варіанти, створюють
високоврожайні, стійкі до шкідників види, наприклад, зернових культур (пшениці,
кукурудзи), свійської худоби та птиці.
Генетична різноманітність у популяції
визначається як числом генів, що мають більше ніж один алель (так званих
поліморфних генів), так і числом алелів кожного поліморфного гена. Існування
поліморфного гена призводить до появи в популяції гетерозиготних особин, які
отримують від батьків різні алелі гена. Генетична варіабельність дозволяє видам
адаптуватися до змін навколишнього середовища, наприклад до підвищення
температури або до спалаху нового захворювання. У цілому встановлено, що
рідкісні види мають меншу генетичну різноманітність, ніж широко розповсюджені,
а тому їм більше загрожує вимирання при зміні умов навколишнього середовища.
Значення. Генетична
різноманітність необхідна будь-якому виду для збереження репродуктивної
життєздатності, стійкості до захворювань, здатності до адаптації в мінливих умовах.
Генетична різноманітність свійських тварин і культивованих рослин особливо
цінна для тих, хто працює над селекційними програмами з підтримання й
поліпшення сучасних сільськогосподарських видів.
ü Бесіда
Згадайте, що таке угруповання, екосистема,
наведіть приклади.
(Біологічне угруповання визначають як
сукупність особин різних видів, що живуть на певній території й взаємопов’язані
між собою. Приклади угруповань — хвойні ліси, високотравні прерії, вологі
тропічні ліси, коралові рифи, пустелі.)
Різноманітність на рівні угруповань та
екосистем. Біологічні угруповання, характерні для пустель,
степів, лісів і затоплюваних земель, підтримують безперервність нормального
функціонування екосистеми, забезпечуючи її «обслуговування», наприклад, за
допомогою регулювання паводків, захисту від ґрунтової ерозії, фільтрації
повітря й води.
Висновок. На кожному рівні біологічної різноманітності — видовому, генетичному та
різноманітності угруповань — фахівці вивчають механізми, які змінюють або
зберігають різноманітність.
4. Методи вивчення біорізноманітності. Вимірювання
біологічної різноманітності
ü Розповідь учителя з елементами бесіди
Запитання до учнів:
— Скільки всього видів існує у світі?
Будь-яка стратегія збереження біологічної
різноманітності потребує чіткого розуміння того, скільки всього існує видів і
як ці види розподілені. На сьогодні описано 1,5 млн видів. Щонайменше вдвічі
більше число видів залишається неописаним, це переважно комахи та інші тропічні
членистоногі. Знання про кількість видів неточні, оскільки багато малопомітних
тварин ще не потрапили в поле зору систематиків. Наприклад, важкими для
вивчення є маленькі павуки, нематоди, ґрунтові гриби й комахи, що живуть у
кронах дерев тропічного лісу.
А). Польові
методи
Польові
методи мають першорядне значення. Вони
передбачають вивчення популяцій та угруповань у природному середовищі (у природі)
й дозволяють установити вплив на об’єкт комплексу факторів, вивчити загальну
картину розвитку й життєдіяльності досліджуваного об’єкта.
Як приклад можна навести ліси на схилах різних
експозицій, на різних ґрунтах, у різних географічних широтах або водні
екосистеми на різній глибині в одному й тому самому морі, на одній глибині у
південних і північних морях. Усі вони, незважаючи на відмінності, розвиваються
за одними законами, під впливом комплексу факторів, але значення цих факторів
різні й залежать від місця розташування об’єкта досліджень.
Однак у польових дослідженнях дуже складно
виявити роль одного фактора — як біотичного (конкуренції, алелопатії, родючості
ґрунтів), так і абіотичного (тепла, вологи, світла, засолення, кислотності
ґрунтів), тим більше, що всі фактори функціонально пов’язані один з одним.
Досліджувати роль конкретного фактора можна при
постановці експерименту в польових або лабораторних умовах.
Б). Експериментальні
методи дослідження
Експериментальні
методи відрізняються від польових тим, що організми штучно поміщають в умови,
при яких можна дозувати розмір досліджуваного фактора, а отже, можна точніше,
ніж при звичайному спостереженні, оцінити його вплив. При цьому висновки, отримані в лабораторії, потребують обов’язкової
перевірки в польових умовах.
Як приклади екологічних експериментів можна
навести дослідження функцій лісозахисних смуг, вивчення освітлення насаджень, впливу
різних доз добрив, унесених під сільськогосподарські культури, тощо. Широко
відомий метод вивчення конкурентних взаємозв’язків дерев у лісі шляхом
обмеження певної площі (площі живлення).
Велике значення при проведенні екологічних
досліджень мають хімічні й фізіологічні методи, оскільки вони дозволяють
виявити роль різних компонентів екосистем, у першу чергу найголовнішого — фітоценозу,
в акумуляції й перетворенні речовини та енергії. Хімічні методи дають змогу
з’ясувати особливості накопичення хімічних елементів у рослинах і в цілому в
угрупованнях, особливості кругообігу живлення. За допомогою фізіологічних
методів у польових умовах можна простежити фізіологічні процеси (фотосинтез і
транспірація).
Оскільки всі біосистеми здатні до
саморегуляції, тобто до відновлення екологічної рівноваги, а закони їхнього
розвитку мають причинно-наслідковий зв’язок, то в екологічних дослідженнях
значного поширення набули математичні методи (математична статистика, методи
теорії інформації й кібернетики, теорії чисел, диференціальні й інтегральні
обчислення тощо) і на основі цих методів — моделювання.
В). Моделювання
біологічних явищ
Моделювання
біологічних явищ, тобто відтворення в штучних системах процесів, властивих
живій природі, набуло значного поширення в сучасній екології.
Моделі поділяють на реальні (аналогові)
та знакові.
Приклади аналогових моделей. Акваріуми та океанаріуми — моделі різних водойм, теплиці — моделі
екосистем відповідних природних зон.
Знакові моделі являють собою відтворення оригіналу за допомогою математичних виразів
або докладного опису, їх поділяють на концептуальні й математичні.
Перші можуть бути подані у вигляді тексту, схем, наукових таблиць, графіків
тощо, а другі — формул, рівнянь. Математичні моделі, особливо за наявності
кількісних характеристик, є більш ефективним методом вивчення екосистем.
Математичні символи дозволяють стисло описати складні екосистеми, а рівняння
дають можливість формально виразити взаємозв’язки різних компонентів екосистем.
Приклад найпростішого диференціального рівняння,
що описує зростання популяції якого-небудь виду на якій-небудь стадії її
розвитку (Радкевич, 1997):
,де x — щільність популяції в момент часу t, r — швидкість зростання в період часу, що відповідає rt.
Розв’язанням цього рівняння є функція: 
.
.
Процес переведення фізичних або біологічних
уявлень про будь-яку екосистему в математичні формули та операції над ними
називають системним аналізом. У сучасній екології реальні й знакові моделі
використовуються паралельно, доповнюючи одна одну. За відсутності реальних
моделей математичний підхід стає абстрактним, а без математичного підходу буває
важко зрозуміти сутність реальної моделі.
Г). Екологічний
моніторинг
Екологічний
моніторинг — один з головних методів вивчення динаміки екосистем (біогеоценозів),
що відбувається під впливом природних та антропогенних факторів. Під моніторингом мають на увазі спеціальне тривале спостереження за
станом одних і тих самих екосистем. Такі дослідження пов’язані зі значними
затратами часу й зусиль, оскільки передбачають детальний опис та вивчення всіх
компонентів, з яких складається біогеоценоз, і тому можливі лише при
організації стаціонарних робіт із закладкою як тимчасових, так і постійних
пробних площ. Моніторинг рослинного покриву слід проводити на різних рівнях
згідно з хорологічною (просторовою) диференціацією біосферних систем. За
допомогою однієї пробної площі розміром 1 га проводити моніторинг рослинного
покриву неможливо. Для рівнинного геоботанічного району (заповідника) необхідно
закласти не менше ніж 10–12 постійних пробних площ розміром 1 га, а для
гірського району — не менше ніж 30–40.
5. Якою є біологічна різноманітність на різних
територіях?
ü Розповідь учителя
У Європі біорізноманітність розподілена дуже
нерівномірно: найменша різноманітність екосистем припадає на Північну Європу.
Центри високої біорізноманітності зосереджені в Середземномор’ї (Італія,
Іспанія, Греція, Франція) і на європейських окраїнах (Болгарія, Україна,
Грузія, Вірменія, Туреччина), де можна зустріти понад 5000 ендемічних видів рослин.
Середземне море — найбагатше в Європі за біорізноманітністю серед інших морів Європи.
Найбагатші видами тропічні вологі ліси,
коралові рифи, великі тропічні озера й глибоководні моря (WCMC, 1992; Heywood,
1995). Велика біологічна різноманітність і в сухих тропічних районах з їхніми
листопадними лісами, чагарниковими бушами, саванами, преріями та пустелями
(Mares, 1992). У помірних широтах високими показниками відзначаються вкриті
чагарниками території із середземноморським типом клімату. Вони є у Південній Африці,
на півдні Каліфорнії та на південному заході Австралії. Вологі тропічні ліси в
першу чергу характеризуються надзвичайною різноманітністю комах. На коралових
рифах і в глибоководних морях різноманітність зумовлена значно більш широким
набором систематичних груп (Grassle et al., 1991). Різноманітність у морях
пов’язана з їхнім великим віком, гігантськими площами й стабільністю цього
середовища, а також зі своєрідністю типів донних відкладень (Waller, 1996).
Надзвичайна різноманітність риб у великих тропічних озерах і поява на островах
унікальних видів зумовлені еволюційною радіацією в ізольованих продуктивних
місцеіснуваннях.
Видова різноманітність майже всіх груп
організмів збільшується в напрямку до тропіків. Наприклад, у Таїланді живе 251
вид ссавців, а у Франції — тільки 93, незважаючи на те, що площі обох країн
приблизно однакові.
6. Значення біорізноманітності для людства
ü Розповідь учителя
Можна дуже багато говорити про політику й
економіку, але все одно головною проблемою, звісно ж, має залишатися збереження
живої природи, яка, щойно ми забуваємо про це, нагадує про себе і коливаннями
клімату, і зміною газового складу атмосфери, і скороченням генетичного
матеріалу для селекційної роботи в сільському господарстві тощо.
Відомо, що понад 60 % лікарської сировини
— це природні матеріали. Лише дещиця мільярдного населення планети живе,
звертаючись за ліками в аптеку, натомість більшість мешканців азіатських країн
за традицією намагаються знайти панацею від усіх хвороб у природній сировині.
Ми звикли до крамниць і супермаркетів, і навіть сільські жителі їдуть у місто
за молоком, тимчасом як решта світу значною мірою ще живе за законами природи,
тобто натуральним господарством. Перелогове хліборобство навіть у вік атома й
досягнень генетики, як і раніше, є основною формою землеробства в Китаї, в
африканських країнах, у багатьох азіатських країнах та Південній Америці. Отже,
жива природа — це основа життя.
Дуже важливо зберегти всю біорізноманітність на
планеті. У природі є величезна кількість організмів з біологічно активними
речовинами, що здатні здолати СНІД, не кажучи вже про рак. Вимерла стеллерова
корова, яку знищили першовідкривачі північного сходу Росії, могла б стати цілою
галуззю, напрямком селекційної роботи зі створення приморських ферм, котрі могли
б розв’язати продовольчу проблему населення узбережжя. Проміжні форми
одомашнювання (наприклад, тур або тарпан), звісно ж, були б сьогодні в пригоді,
щоб освіжити генетичну якість нашої свійської худоби, яка страждає від ящура та
інших хвороб. Селекційна робота не може зупинятися — щоб уже створена культурна
біологічна різноманітність продовжувала існувати, її слід постійно
підтримувати. Саме для цього й потрібна жива природа.
Біологічна різноманітність є найбільшим
багатством життя. Цю величезну генетичну бібліотеку тільки починають усерйоз
вивчати. Вона являє собою ні з чим не порівнянну цінність у пошуку нових джерел
харчування, ліків, енергії та інших засобів забезпечення розвитку життя на
Землі.
7. Вплив людини на зміну біорізноманітності
ü Бесіда
1. Які причини скорочення біорізноманітності?
2. Що є наслідком знищення живих організмів?
3. Яке значення біорізноманітності для людини й
природи?
4. Чи правильне твердження: «Проблема
збереження біорізноманітності фактично рівнозначна проблемі виживання людства»?
Обґрунтуйте.
Висновок. Збереження біорізноманітності — міжнародна проблема.
n IV. Узагальнення й систематизація вивченого матеріалу
ü Узагальнювальна бесіда
1. Що таке екологічна криза і які наслідки
екологічних криз у розвитку цивілізації?
2. Визначте основні проблеми третього
тисячоліття. Дайте їм коротку характеристику.
4. У чому причини виникнення основних проблем
третього тисячоліття?
5. Дайте визначення таким поняттям: екологія,
екологічна криза, глобальна екологічна криза, екологічна катастрофа, продуценти,
консументи, редуценти.
Коментарі
Дописати коментар