Методика проведения урока "Моделирование естественного отбора в системе хищник–жертва"

Расчет оборудования и необходимого количества людей

Сообщество “хищников” (их роль выполняют ученики) всегда состоит из трех популяций:

1. Сообщество ножей. Первоначальная численность 1 нож
2. Сообщество вилок. Первоначальная численность 1 - вилка,
3. Сообщество ложек. Первоначальная численность 1 ложка

"Хищники" могут удваиваться ("размножаться") В II поколении, могут появиться "дети": "сын"-нож, "дочь"-вилка, "дочь"-ложка.. Детьми условно называем всех выживших и родившихся после первой охоты. В III поколении могут появиться "внуки", т.е. особи, выжившие или родившиеся после второй охоты. Всех появившихся на свет или выживших после третьей охоты условно называем правнуками. После третьей охоты с исчезновением многих популяций или значительным сокращением их численности охота прекращается. Оптимальное количество человек (“хищников”) в одном сообществе– 6 учеников.

Количество групп определяется следующим образом:

Низкий уровень

Во всех группах одно и тоже поле (белое или цветное) и одно и тоже сообщество жертв.

Например:

Продвинутый уровень

Половина класса охотится на контрольном (белое) поле, другая половина охотится на опытном (цветном) поле. На всех полях обитает одно и тоже сообщество жертв

Например:

Высокий уровень

Половина класса охотится на контрольном (белом) поле, другая половина охотится на опытном (цветном) поле. У первой четверти части класса на контрольном поле обитает одно сообщество жертв, у второй четверти класса на контрольном поле обитает иное сообщество жертв. На двух цветных полях также обитают разные сообщества жертв.

Например:

В больших, хорошо подготовленных классах можно добавить еще одно цветное поле

При построении модели для 6 команд необходимо следующее оборудование:

1. Стол
2. Коврик белого цвета (2шт)
3. Коврики двух пестрых цветов ( 2 шт +2шт)
4. Банки с “жертвами” - макаронного-разносемянного сообщества (3 шт)
5. Банки с “жертвами” фасолево-разносеменного сообщества (3 шт)
6. Нож, вилка, ложка (“хищники”) ( 6 наборов)
7. Чашки Петри (“желудки хищников) (6 наборов)
8. Часы с секундной стрелкой или магнитофон

Каждое сообщество “жертв” состоит из 5 популяций. Первоначально,

любая популяция “жертв” насчитывает 50 особей. В этом случае сообщество состоит из 250 “особей”.

Таким образом, можно моделировать взаимоотношения “хищников” и “жертв” в конкретной среде обитания одного сообщества “хищников” и одного сообщества “жертв”, (низкий уровень) и моделировать в разных средах обитания одного сообщества “хищников” и двух сообществ “жертв” (продвинутый и высокий уровни).

Создание модели “Хищник жертва”

Моделирование производится следующим образом. "Жертвы" высыпаются из банки на стол; вооружившись столовыми приборами, ученики-исследователи приступают к охоте. В первой охоте "хищниками" выступают один нож, одна вилка и одна ложка. Длится каждая охота 20 сек; всего проходит три охоты. Охота может проводиться под музыку. После первой охоты (так же, как и каждой другой) оставшиеся на поле "жертвы" удваиваются. Например, если на поле обитания осталась одна фасолина, то надо положить еще одну фасолину, если четыре — еще четыре и т.д. Это символизирует размножение. "Хищник" может удваиваться ("размножаться") только после того, как проглотит больше 40 "жертв". Таким образом, поле первой охоты, т.е. во II поколении, могут появиться "дети": "сын"-нож, "дочь"-вилка, "дочь"-ложка. Если охота была неудачной и "хищнику" удалось съесть лишь 20-39 "жертв", ему хватает сил только для поддержания жизни (размножение отсутствует). При добыче меньше 20 "жертв" "хищник" умирает от голода. Отловленных "жертв" "хищник" кладет в свой "желудок" (чашку Петри) для подсчета результатов охоты.

В III поколении могут появиться "внуки", Далее в связи с исчезновением многих популяций или значительным сокращением их численности охота прекращается

Фрагмент урока (4 группы)

Часть 1 Модель "хищник — жертва" в конкретной среде обитания

Анализ моделирования

Впечатления об охоте, в результате которой менялась численность популяций конкретного места обитания, заносятся в анкету:

табл.№1 Особенности охоты в одинаковой среде обитания

Вопрос	Ответ
Чем питался ваш “хищник”?	Нож – я специализировался на “жертвах” мелкого размера Вилка – я не могла ловить мелких “жертв” Ложка- я могла поймать и съесть любые “жертвы”
Какие особенности охоты имел ваш “хищник”?	Нож – мне легче преследовать и ловить добычу на краях поля или на его контрастных участках. В “толпе” мою добычу забирали “хищники” других видов (потому что они двигались быстрее) и даже члены моей популяции, т.е. ножи. Гораздо выгоднее было затаиться перед броском, потому что у меня плохой захват. Вилка – я легко преследовала добычу на поле без препятствий (в них у меня застревали зубы), я хорошо схватывала любую “жертву” (у меня острые зубы), но удержать могла только крупную добычу, т.к. мои редкие зубы не фиксировали мелкую дичь Ложка - в охоте мне не было равных – без усилий гонялась за “жертвами” любых размеров, а когда некоторые из них сливались с фоном, я ловила наугад, препятствий я не ощущала, успешно удерживала пойманное даже в схватке с “хищниками” своего и других видов.
Какие “жертвы”расселя-лись (высыпались за пределы поля) особенно интенсивно?	Мелкие “жертвы” хуже удерживаются на поле. Такая же участь у круглых, хорошо катающихся “жертв”.
Что явилось причиной расселения?	Круглые и мелкие “жертвы” чаще испытывают давление со стороны “хищников” .Чаще всего такие “жертвы” оказываются на краю поля, здесь легче укрыться от “хищников” и расселиться.
За какие ресурсы велась борьба между“хищниками”?	За пищу
За какие ресурсы велась борьба между “жертвами”	За укрытия ( однотонные с собственныой окраской места обитания, за “норы”- складки, неровности поля, за “самый” край поля, откуда легче расселиться)
Укажите ограничиваю-щий фактор для каждой группы популяций	Голод для “хищников” Выедание для “жертв”
Зависит ли успешность охоты “хищника” от плотности популяции “жертв”?	Безусловно
Каким образом особи “хищников “ снижали конкуренцию между собой?	Межвидовая борьба “хищников” снижалась благодаря разделению ресурсов на доли. Внутривидовая и как следствие межвидовая борьба “хищников” снижалась путем уменьшения плотности популяций (выедание “жертв”, голод “хищников” влекло за собой смерть “хищников”.
Каким образом особи “жертв” снижали конкуренцию между собой?	Межвидовая борьба “жертв” снижалась благодаря разделению ресурсов на доли (мелкие жертвы прятались в укрытиях, некоторые крупые –пользовались покровительственной окраской, мелкие и круглые расселялись по полю или уходили за его пределы) Внутривидовая борьба “жертв” снижалась за счет расселения по полю или уходу за его пределы и уменьшения плотности популяции в следствии выедания “жертв”

Обсуждение результатов

Численность популяций ограничивалась различными абиотическими и биотическими факторами. В нашем случае репродуктивный потенциал любой популяции не реализовался, так как численность "жертв" регулировалась "хищниками", а для "хищников" ограничивающим фактором был голод. Гибель некоторой части популяций "жертв" наблюдалась в том случае, когда "жертвы" попадали на контрастно окрашенные участки, что можно сравнить с неблагоприятной погодой, разрушающей убежища. Этот фактор смертности не зависит от плотности популяции "жертвы". Неблагоприятная для "жертв" погода улучшала условия охоты "хищников". Если "жертвы" отсиживались в убежищах (по краям поля, в его складках, на одноцветных участках), "хищник" менее успешно ловил их. В этом случае "хищники" недоедали и хуже "размножались".

Мы наблюдали внутривидовую и межвидовую борьбу за существование. Внутривидовая борьба у "жертв" сводилась к борьбе за территорию, т.е. за корм и убежище. При высыпании на стол "жертвы", не достигшие успеха в конкуренции за территорию, были вынуждены существовать на краю поля, в его контрастных местах. Их смертность повышалась вследствие особо сильного давления "хищников", перенаселенности, плохой погоды (т.е. контрастности поля). Интересно, что некоторые особи покидали родную популяцию, если она становилась чересчур плотной, и переходили на другие места. Так это сделали золотистые фасолины (маш), упавшие под стол. В связи с тем, что миграции маша наблюдались из поколения в поколение, мы думаем, что такое поведение обусловлено генетически, т.е. подхвачено естественным отбором. Уход из популяции ее членов — пример снижения внутривидовой конкуренции. Мы видим, что конкуренция между особями за ресурсы, которых недостает, привела к адаптации, снижающей конкуренцию. В целом, чем меньше становилась популяция "жертв", тем слабее была внутривидовая конкуренция. Внутривидовая конкуренция у "хищников" за территорию, а значит за корм, была явной, но кратковременной в связи с малочисленностью популяций "хищников".

Межвидовая борьба также очевидна, поскольку разные виды "жертв" использовали одинаковые ресурсы, поэтому у них перекрывались экологические ниши. У разных видов "хищников" тоже наблюдалось перекрытие ниш, так как их ресурсы схожи. Особенно четко борьба проявилась у "хищников". Нож, хорошо вооруженный, но медлительный и плохо адаптированный для охоты на крупную фасоль, вымер первым, потому что его пищу (мелкая фасоль и "звездочки") быстрее съедали другие виды "хищников". Отмечалось также интересное явление - разделение ресурсов между "хищниками": нож "ел" мелкие "жертвы", вилка — крупные "жертвы" (у нее зубы острые, но редкие). Таким образом, эволюция конкурирующих видов протекает так, что каждый из них специализируется на определенной части данного ресурса, получая его долю, тем самым, снижая накал межвидовой борьбы. Ложку можно отнести к неспециализированным "хищникам", переключающимся с одной "жертвы" на другую, в зависимости от того, какая из них наиболее доступна.

Выводы Особенности охоты в одинаковой среде обитания

Выводы о динамике численности популяций в конкретной среде обитания

• колебания численности хищника отстают от колебаний численности жертв;
• снижение накала внутривидовой борьбы происходит вследствие уменьшения плотности популяций (выедание жертв, голод хищников, смерть хищников, уход из популяции жертв на другую территорию);
• снижение накала межвидовой борьбы происходит благодаря разделению ресурсов на доли;
• в целом межвидовая борьба приводит к снижению численности побежденного вида.

Часть 2 Модель "хищник — жертва" в разных средах обитания

Создание модели “Хищник - жертва” в разных средах обитания требует подбора цвета поля. На цветном поле плохо различаются многие “жертвы” как окрашенные в один цвет, так и пестрые. Следует отметить, что моделирование происходит на столе, близко от глаз учеников-исследователей (они же “хищники”), поэтому нельзя говорить о подлинной маскировке “жертв”, особенно больших размеров.

Анализ моделирования

Впечатления об охоте на разных полях, сравнение взаимоотношений популяций хищников и жертв, заносятся в анкету:

табл. №2 Особенности охоты в разных средах обитания

Вопрос	Ответ
У каких “хищников” выработались в процессе естественного отбора наиболее удачные при-способления к охоте?	Нож - успешен, если ловит из засады мелкую дичь, особенно плоскую (семена арбуза, мелкой тыквы) Вилка – имеет великолепный захват(острые зубы), но они редкие для удерживания мелкой “жертвы.” Ложка имеет наилучший захват и способна удержать любую “жертву”
Существует ли связь между избирательным выживанием “хищников” и цветом поля охоты?	Ярко выраженной связи не обнаружено
Существует ли связь между естественным отбором в среде хищников и видовым составом жертв?	Кувыркающиеся виды, труднее поймать но удерживаются "хищниками" они лучше.(макароны, плоские семена) Виды, которые убегая прямолинейно катятся, легче ловить, но они чаще скатываются при удержании их хищником В итоге “хищники” более сыты, если питаются “жертвами” плоскими семенами и макаронами, а не фасолинами.
У каких “жертв” вы-работались в процессе естественного отбора наиболее удачные приспособления к месту обитания?	Белые семена тыквы, фасоли, макароны обладают покровительственной окраской на белом поле обитания (но им мешает или большой размер или уплощенность формы) Пестрая фасоль на белых и пестрых поля поворачивается к наблюдателю то темным, то пестрым, то белым боком, что делает ее менее уязвимой по сравнению с фасолью, окрашенной в другие цвета
Существует ли связь между избирательным выживанием “жертв” и цветом мест их обитания?	Существует

Обсуждение результатов

Табл. № 3 Влияние сообщества “жертв” и цвета поля охоты на выживаемость “хищников”

Сообщество “жертв”; (плоды, семена,макароны в баночке) Цвет поля(стол с ковриком)	Численность “хищника” в I и IV поколениях						Общая численность “хищников” IV поколения
	нож		вилка		ложка
	I	IV	I	IV	I	IV
макаронно-разносемянное белое поле	1	0	1	1	1	5	6
макаронно-разносемянное пестрое поле	1	0	1	1	1	5	6
фасолево-разносемянное; белое поле	1	1	1	2	1	6	9
фасолево-разносемянное; пестрое поле	1	1	1	3	1	6	10

Табл. № 4. Влияние цвета поля на выживаемость “жертв”

Как видно из табл. 3, численность "хищников"-ложек в IV поколении стабильно высокая при питании любыми видами "жертв" (5-6 особей). Наименьшее количество выживших к IV поколению особей отмечалось у "хищников"-ножей (0-1). Состав "жертв" сказывается на выживании "хищников". Они меньше вымирают, если питаются видами, входящими в состав фасолево-разносемянного сообщества. Численность сообщества "хищников", питающихся макаронно-разносемянным сообществом, равна шести особям, а питающихся фасолево-разносеменным сообществом — 9-10 особей. Очевидно, что этому способствует более уплощенная форма некоторых "жертв" фасолево-разносемянного сообщества. Ножу и вилке легче ловить и удерживать плоскую добычу, но при условии небольшой плотности популяции и "хищников", и "жертв". Такая ситуация складывается на пестром и белом полях обитания фасолево-разносемянного сообщества на второй и третьей охоте. Любая суета во время охоты приводит к тому, что уже пойманные "жертвы" ускользают от "хищников" — ножа и вилки. Вот почему успех "хищника"-вилки в первой охоте на это сообщество меньше, чем во второй. "Хищник"-нож часто погибает после первой охоты или не размножается в I-IV поколениях, так как ловит мелкую добычу или плоскую добычу, которую забирают другие "хищники", а пойманную крупную и среднюю теряет. Виды, входящие в состав макаронно-разносемянного сообщества, лучше удерживаются "хищниками", но их труднее ловить, поскольку у них иной способ передвижения — частое "кувыркание".

Сравнение данных табл.4 позволяет сделать выводы об отсутствии влияния цвета поля на выживаемость "хищников". Так, численность "хищников" IV поколения, обитающих на белом поле, составляет 6, 9, а "хищников" IV поколения, обитающих на пестром поле — 6, 10. Иначе говоря, селективным фактором для "хищников" является состав "жертв". Анализ табл.4 удивляет, потому что многоцветие пестрого поля, казалось бы, — хорошая защита для покровительственно окрашенных "жертв". Однако результат "наоборот": 111 "жертв" IV поколения на белом поле и 30 "жертв" IV поколения на пестром поле — подчеркивает, что в природе защитный характер пигментации как средство избегания хищников формируется длительное время в конкретной среде. Вот почему воссоздать истинные взаимоотношения организма и среды в процессе школьного моделирования невозможно. В нашем случае покровительственной окраской обладают на белом поле обитания только белые семена тыквы (но им мешает большой размер и уплощенность формы), белая фасоль. "Жертвы", участвующие в моделировании, однотонно окрашены, поэтому интересны показатели выживаемости пестрой фасоли на белых и пестрых полях. Они наглядно свидетельствуют о преимуществе организмов, способных перераспределять пигмент в покровах тела. Пестрая фасоль "поворачивается" к наблюдателю то темным, то пестрым, то белым боком, что делает ее менее уязвимой по сравнению с фасолью, окрашенной в другие цвета.

Выводы о влиянии "хищников" на выживаемость "жертв".

Во всех построенных моделях общее количество "жертв" уменьшается от первой к третьей охоте, а общее количество "хищников" растет. Например, число "жертв" макаронно- разносемянного сообщества на пестром поле колебалось от 250 особей в I поколении до 122 в IV поколении, а "хищников" от трех в I поколении до четырех в IV поколении. В IV поколении количество "жертв" резко снижается, нередко до нуля, поэтому "хищники" умирают от голода.

Заключение

На основании сравнения четырех моделей "хищник—жертва" в разных средах обитания ученики-исследователи делают обобщающие выводы:

• наиболее приспособлены к местным условиям "хищники"-ложки, у них выработался более совершенный захват и удержание жертвы;
• видовой состав жертв оказывает большее влияние на выживаемость хищников, чем цвет поля охоты, т.е. селективным фактором для хищников является видовой состав жертв;
• цвет места обитания влияет на выживаемость жертв. Одинаковое значение имеют как покровительственная, так и демонстрационная окраска;
• селективный фактор для жертв — цвет поля обитания и хищники.