Урок-лекция "Биоразнообразие – результат органической эволюции"

Задачи урока:

• сформулировать у учащихся представление о роли различных факторов, влияющих на биоразнообразие;
• показать, как менялось разнообразие животного мира в течение геологического времени;
• проанализировать, как уменьшается биоразнообразие под воздействием человека. (слайд 2)

Вид урока: урок-лекция.

Класс: 9–11.

Время урока: 90 минут.

Оборудование: презентация «Биоразнообразие – результат органической эволюции», карта: «Природные зоны», практические задания на дом, фотоаппарат, видеокамера.

Ход урока

…Наш мир – не случайность, не хаос, –
Есть система во всем…
А. Стекольников (слайд 3)

I. Организационный момент

(Сообщается тема урока, задачи урока и основные этапы урока)

II. Актуализация знаний учащихся

(фронтальный опрос)

• Биосфера – это ….?
• Эволюция – это ….?
• Вид – это…?
• Популяция – это…?
• Что такое биоценоз, и какие виды биоценозов вы знаете?
• Задание: перечислите в порядке убывания таксономические единицы любого из представителей царства животных.
• Перечислите известный вам комплекс биологических наук.

III. Изучение нового материала

План лекции

1. Что представляет собой биоразнообразие.
2. Таксономическое разнообразие животного мира Земли.
3. Факторы, влияющие на биоразнообразие.
4. Эволюция биоразнообразия.
5. Уменьшение биоразнообразия под воздействием человека. (слайд 4)

Лекция

1. Что представляет собой биоразнообразие. (слайд 5)

Нас окружает огромный мир разнообразных живых существ – растений, животных, микроорганизмов, – образующих разнообразные сочетания в различных частях нашей планеты. И сами виды, и их комплексы – биоценозы возникли задолго до появления человека как биологического вида. С каждой эпохой в истории Земли этот мир все более изменялся. На место первых примитивных групп организмов приходили новые, продвинутые в морфофизиологическом отношении группы, обладавшие более широкими эволюционными потенциями, и так продолжается все время, пока на Земле существует жизнь. Все это результат органической эволюции, который можно назвать одним словом – биоразнообразие.

Биоразнообразие - сокращенное от "биологическое разнообразие" – означает разнообразие живых организмов во всех его проявлениях: от генов до биосферы. Вопросам изучения, использования и сохранения биоразнообразия стало уделяться большое внимание после подписания многими государствами Конвенции о биологическом разнообразии (Конференция ООН по окружающей среде и развитию, Рио-де Жанейро 1992).

Существует три основных типа биоразнообразия:

• генетическое разнообразие, отражающее внутривидовое разнообразие и обусловленное изменчивостью особей;
• видовое разнообразие, отражающее разнообразие живых организмов (растений, животных, грибов и микроорганизмов). В настоящее время описано около 1,7 млн. видов, хотя их общее число, по некоторым оценкам, составляет до 50 млн.;
• разнообразие экосистем охватывает различия между типами экосистем, разнообразием сред обитания и экологических процессов. Отмечают разнообразие экосистем не только по структурным и функциональным составляющим, но и по масштабу – от микробиогеоценоза до биосферы;

Все типы биологического разнообразия взаимосвязаны между собой: генетическое разнообразие обеспечивает разнообразие видов. Разнообразие экосистем и ландшафтов создает условия для образования новых видов. Повышение видового разнообразия увеличивает общий генетический потенциал живых организмов Биосферы. Каждый вид вносит свой вклад в разнообразие – с этой точки зрения не существует бесполезных и вредных видов. (слайд 6)

Биоразнообразие – это и сотни тысяч видов, и разнообразие внутри популяций каждого вида, и разнообразие биоценозов, то есть на каждом уровне – от генов до экосистем наблюдается разнообразие. Этот феномен издавна интересует человека. Сначала из простого любопытства, а затем вполне сознательно и нередко с практическими целями человек изучает свое живое окружение. Процесс этот не имеет завершения, поскольку с каждым столетием возникают новые задачи и меняются способы познания состава и структуры биосферы. Они решаются всем комплексом биологических наук. Особенно актуально стало изучение разнообразия органического мира нашей планеты после того, как начала выясняться роль самого разнообразия в поддержании стабильности биосферы. Казавшиеся незыблемыми ее состояние и неисчерпаемыми ее ресурсы оказались в течение недолгого времени настолько нарушенными, что это стало вызывать обоснованную тревогу человечества. Нарастающее давление хозяйственной деятельности людей на биосферу, прямое, хотя подчас и неосознаваемое уничтожение многих видов растений и животных, изменение среды обитания остальных видов могут в конечном итоге привести к катастрофическим последствиям. Поэтому понятен повышенный интерес к изучению роли биоразнообразия в стабильности биосферы, из которой человек получает ресурсы для своего существования. Неистощительное природопользование – разумное использование генофонда растений и животных в сочетании с долговременным его сохранением, эта цель может быть достигнута только при ясном понимании процессов, протекающих в биосфере, связей и взаимозависимостей между компонентами экосистем, и прежде всего от познания того разнообразия, которое нас окружает.

2. Таксономическое разнообразие животного мира Земли. (слайд 7)

Изучение видового богатства животного мира нашей планеты имеет давнюю историю, но только в 1758 году знаменитый ученый Карл Линней перечислил всех известных в то время животных, дав им собственные латинские названия. За более чем два столетия, прошедшие со времени выхода в свет десятого издания линнеевской «Системы природы», наши знания о животном мире Земли неизмеримо возросли и продолжают возрастать быстрыми темпами. Хотя процесс изучения фаун различных частей земного шара далеко не завершен, уже сейчас можно представить результаты этого изучения. (табл.1)

Таблица 1. Приблизительное число видов в группах животных (всего в животном мире около 1,5 млн. видов) (слайд 8, 9)

Число видов животных в различных частях земного шара неодинаково.

По направлению от равнинных территорий тропической зоны до высоких широт и больших высот горных хребтов четко проявляется уменьшение разнообразия. Это явление получило название главного градиента разнообразия.

(Учащиеся прослеживают на карте: «Природные зоны», как меняется растительный и животный мир в зависимости от конкретной природной зоны). (слайд 10)

Мы привыкли говорить о роскошной природе тропиков и бедности ее на севере. Но все не так просто. Предложено много теорий или гипотез, призванных объяснить феномен биологического разнообразия.

– Если биологическое разнообразие вообще является результатом эволюции, то почему эволюция проходила столь различными темпами в тропиках и за Полярным кругом, на равнинах и в высокогорьях, на мелководьях и в глубоких впадинах Мирового океана?

– Ребята, давайте попробуем выяснить причинные связи биоразнообразия с факторами среды.

3. Факторы, влияющие на биоразнообразие.

Природа!.. Она создает
Вечно новые образы; то что есть – того
Не было, что было – уже не повториться,
Все ново, хоть все и старо.
И. В. Гете (слайд 11)

Рассмотрим вкратце гипотезы, объясняющие биологическое разнообразие. Издавна считают, что разнообразие животного мира возрастает с увеличением возраста сообществ, в которых живут виды. То есть первой в ряду причин, действующих на разнообразие, называют эволюционное время. В умеренных зонах, особенно в северном полушарии, местообитания бедны видами, так как вследствие четвертичного оледенения и других геологических помехах виды животных имели слишком мало времени для адаптации и полного освоения среды обитания. В тропиках же сообщества отличаются высоким разнообразием, поскольку они долгое время не испытывали внешних воздействий и эволюция шла беспрепятственно, что и привело к видовому богатству.

На эту гипотезу похожа и другая, учитывающая время, необходимое для расселения видов, но не для видообразования, то есть более короткое – экологическое время. Какое-то представление об этом дает нам следующий пример. Если мы имеем дело с недавно возникшим участком типа лесной гари, то его видовой состав беден потому, что для его заселения видами просто не хватило времени.

Самой распространенной из гипотез считается та, которая связывает видовое богатство с устойчивостью климата, то есть с его незначительными колебаниями по сезонам. Именно таким является климат тропиков, особенно экваториальная зона. Среда с устойчивым климатом благоприятствует специализированным видам, занимающим узкие экологические ниши.

– А что же называется экологической нишей?

Экологическая ниша – это отражение места, занимаемого организмом или видом в сообществе, причем в это понятие входят помимо устойчивости к физическим факторам среды также взаимодействия с другими организмами. Значит, на одной площади может уместиться больше видов, не конкурирующих из-за доступных ресурсов. (слайд 12)

Важное значение имеет и сложность структуры местообитаний. Для многих групп животных, в частности для птиц, первостепенную роль играет пространственная гетерогенность. Это видно хотя бы из того, что в лесу (многоярусная структура) живет больше видов птиц, чем на лугу. Для морских животных, обитающих в приливной зоне, где дно состоит из частиц различных размеров, больше видов беспозвоночных животных, чем на том же мелководье с однообразным илистым дном. Таким образом, прослеживается корреляция между структурной сложностью местообитания и видовым разнообразием фауны. Видовое разнообразие может определяться продуктивностью местообитаний. В более продуктивных местообитаниях пищи больше и она разнообразнее, поэтому возможностей для специализации потребителей также больше, чем в менее продуктивных местообитаниях. Многие экологи отводят важную роль в образовании богатых видами сообществ такому биотическому механизму, как конкуренция. На роль конкуренции как движущей силы процесса видообразования указывал еще Ч. Дарвин.

И меж растений царствует война –
Деревья, травы – вверх растут задорно,
За свет и воздух борются упорно,
А корни их, в земле неся свой труд,
За почву и за влажность спор ведут.
Э. Дарвин

Конкуренция ведет к расхождению по экологическим нишам, а специализированные виды имеют узкие ниши, что способствует возникновению высокого разнообразия. Особенно острая межвидовая конкуренция наблюдается в таких сообществах, как тропические дождевые леса. Именно они отличаются высочайшим биологическим разнообразием и небольшими размерами видовых популяций. Известно, что на 1 га такого леса может произрастать от 50 до 100 видов деревьев. Высокое разнообразие растений, в свою очередь, благоприятствует развитию разнообразия животных, особенно птиц и насекомых, в то время как многие виды редки и число особей одного вида мало.

Наконец, исследователи проблем биоразнообразия отводят важное место среди его механизмов хищничеству.

Орел бьет сокола, а сокол бьет гусей,
Страшатся щуки крокодила;
От тигра гибнет волк, а кошка ест мышей.
Всегда имеет верх над слабостию сила.
А.С. Пушкин (слайд 13)

Этот механизм заключается в том, что хищники питаются жертвами, имеющими наибольшую численность в данной местности. В этом случае хищники действуют как фактор разрежения. Поэтому они делают возможным локальное сосуществование видов, ослабляя конкуренцию между ними и приводя к умножению разнообразных жертв. По всей вероятности, ни один из факторов среды, взятый в отдельности, не в состоянии объяснить причину разнообразия видов в конкретной ландшафтной зоне земного шара.

Исходя из этого, можно сделать вывод что, разнообразие – это итог противоречий, компромисс между генетически заложенным потенциалом формообразования и ресурсами среды. В общем смысле можно сказать, что эволюция направлена в сторону увеличения разнообразия.

4. Эволюция биоразнообразия. (слайд 14)

В истории органического мира были периоды нарастания и спада биоразнообразия, когда на арену жизни выходили одни группы организмов, сменяя других. Мы судим об этом по их останкам: окаменелостям, отпечаткам, следам жизнедеятельности и т.п. все это изучает палеонтология. По данным палеонтологической летописи, богатство фауны и флоры в минувшие геологические эпохи сильно изменялось. Хотя его трудно сопоставить с современным разнообразием, главным образом из-за неполноты этой летописи, все же можно говорить о периодах расцвета, доминирования и угасания крупных таксонов: классов, отрядов и семейств. Так В. Грант в своей книге: «Эволюция организмов», приводит следующие сведения. В докембрии (670 млн. лет до н.э.) доминировали беспозвоночные животные с мягким телом, в основном кишечнополостные и кольчатые черви (слайд 15). На протяжении кембрия и силура (590–438 млн. лет до н.э.) процветали морские беспозвоночные с твердой раковиной (слайд 16). Панцирные рыбы получили максимальный расцвет в девоне (408 млн. лет до н.э.) (слайд 17), хрящевые рыбы – в карбоне (360 млн. лет до н.э.) (слайд 18), насекомые господствовали с позднего карбона до кайнозоя (290–65 млн. лет до н.э.) (слайд 19), костные рыбы – с триаса до кайнозоя (248 – 2 млн. лет до н.э.) (слайд 20), амфибии – от середины карбона до триаса (300–248 млн. лет до н.э.) (слайд 21), рептилии были наиболее разнообразны и многочисленны с пермского по меловой периоды ( 286–144 млн. лет до н.э.) (слайд 22), а млекопитающие и птицы достигли расцвета только в кайнозое (65 млн. лет до н.э. – современность) (слайд 23).

Расцвет и угасание отдельных крупных ветвей – естественный эволюционный процесс, который сопровождает изменения условий среды на земном шаре или в его крупных регионах (рис. 1).

(слайд 24)

Рисунок 1. Распространение типов животных в различные периоды фанерозоя. Ширина полос соответствует видовому разнообразию.
(Периоды: Четвертичный (Q); Неогеновый (N); Палеогеновый(Pg); Меловой (Cr); Юрский (J); Триасовый (Т); Пермский (Р); Каменноугольный (С); Девонский (D); Силурский (S); Ордовикский (О); Кембрийский (Cm))

В конечном итоге большинству видов рано или поздно суждено вымирание. Некоторые из них преобразуются в более продвинутые в эволюционном отношении типы, но большинство, в конце концов, не сможет приспособиться к постоянно возникающим новым условиям среды или конкурировать с более адаптированными организмами и вымирает. В качестве примера можно привести эволюционную историю семейства Eguidae (лошади), в котором с момента появления первого вида и до наших дней из 18 родов вымерло 17 и 9/10 всех их видов. В наше время семейство представлено одним родом Eguus с восемью видами (зебры, кулан и дикий осел, а также лошадь Пржевальского).

Если учесть, что число ныне живущих видов животных составляет около 1 % числа всех ранее живших на земном шаре, то становится очевидным, что вымирание представляет собой одно из наиболее ярко выраженных эволюционных явлений. Конечно, для каждой эпохи характерно вымирание, каких – то определенных видов. Однако одни геологические периоды отличаются гораздо более интенсивным вымиранием, чем другие. Настоящая причина вымирания какого-либо ископаемого вида, скорее всего, так и не будет достоверно установлена. Но массовые вымирания, приходящиеся на конкретные отрезки геологической истории, без сомнения, были связаны с большими изменениями в окружающей среде. Высказано много соображений относительно причин массовых вымираний. В первую очередь это экзогенные причины,к которым относятся горообразовательные процессы, трансгрессии и регрессии Мирового океана, ледниковые эпохи и даже астероидные бомбардировки нашей планеты. В противоположность этим гипотезам некоторые ученые усматривают причины вымирания в тех процессах, которые протекают в экосистемах. По их мнению, экзогенные факторы и события лишь провоцируют преобразования биот (флор и фаун), если говорить о вымирании в ограниченных (не глобальных) масштабах, то главную роль в вымирании играет конкуренция, а изменение климата имеет лишь второстепенное значение.

В истории наземных четвероногих животных были три крупнейших эпохи массовых вымираний: в конце пермского периода, середине юрского и конце мелового. (слайд 25)

Среди морских животных массовые вымирания наблюдались в конце перми, на рубеже триасового и юрского периодов и на границе мелового и третичного периодов. Изучение палеонтологических материалов показывает, что в конце перми вымерло большинство амфибий и рептилий. В меловом периоде произошло бурное развитие покрытосеменных растений на суше и одновременно появление многочисленных групп насекомых, опылявших цветки этих растений. Но в то же время окончательно вымерли динозавры.

Замечательно, однако, что после каждой экологической катастрофы органический мир Земли всякий раз обновлялся, и число видов нарастало. Ускорились и темпы эволюции.

5. Уменьшение биоразнообразия под воздействием человека. (слайд 26)

Как видно из изложенного выше, вымирание видов животных происходило на протяжении всей истории животного мира и, конечно же, задолго до появления человека. Однако этот процесс протекал крайне медленно, в течение геологических отрезков времени, и ни в какое сравнение не идет с темпами вымирания под воздействием антропогенного давления на биосферу.

Мы достаточно хорошо знаем об опустошении фауны, если речь идет о крупных и заметных животных. Но угроза всем системам, которые поддерживают нашу жизнь, связана с исчезновением бесчисленных популяций малозаметных организмов, гибнувших при вспашке, открытой добыче ископаемых, засыпке почвы отходами, обработке пестицидами, даже при асфальтировании дорог. Ясно, что при отсутствии надлежащих мер охраны биоразнообразие будет уменьшаться с катастрофической быстротой и человечество лишиться значительной части генетического материала. (слайд 27)

Одна из серьезных причин уменьшения биоразнообразия – фрагментация местообитаний и сокращение тем самым общей площади обитания видов. Это приводит к разрушительной реакции цепного типа, которая начинается с вероятностной потери редких видов. Редкость же вида является лучшим индикатором его уязвимости. Зачастую редкие виды (например, крупные хищники) играют ключевую роль в регуляции популяций жертв, и их потеря ведет за собой разрушение экосистем. В наше время разрешение проблем сохранения разнообразия и охраны природы требует фундаментальных экологических и таксономических исследований. Примером может служить подход к организации сети заповедных территорий.

--- Ребята, перечислите, пожалуйста, известные вам заповедники на территории РФ, а также на территории нашей республики,- республики Дагестан.

Суммарная площадь территории заповедников в России составляет более 340 тыс. км², что сопоставимо с территорией Финляндии. Крупнейшими из российских заповедников являются Большой Арктический (более 41 тыс. км²), Командорский (более 36 тыс. км²) и Остров Врангеля (более 22 тыс. км²). (слайд 28)

Самыми небольшими заповедниками в России являются Белогорье (более 21 км²) и Приокско-Террасный и Галичья Гора (оба менее 50 км²). (слайд 29)

Дагестанский государственный природный заповедник был создан 9 января 1987 года, располагается на двух разнородных участках в пределах Тарумовского и Буйнакского районов. Площадь 19 061 га. Участки заповедника находятся в пределах равнинного Дагестана. Место зимовок перелётных птиц. Климат континентальный. Кумторкалинские пески — массив площадью около 3 000 га, представляющий собой череду грядовых песков и барханов Сарыкум — крупнейший бархан не только в России, но и на всем материке Евразии, достигает абсолютной высоты 262 м. (слайд 30)

Но исчезновение видов и их охрана – это лишь одна сторона проблемы. Более важными оказываются биоценологические последствия антропогенных воздействий. Последние изменяют сложившиеся в течение веков соотношения между массовыми и малочисленными видами. Под воздействием хозяйственной деятельности увеличивается доля массовых, так называемых сорных видов и уменьшается доля редких. Редкие виды, в конце концов, исчезают.

Стали люди сильными, как боги,
И судьба Земли у них в руках,
Но темнеют страшные ожоги
У земного шара на боках.
Мы давно освоили планету,
Широко шагает новый век.
На Земле уж белых пятен нету,
Черные, сотрешь ли, Человек? (слайд 31)

IV. Закрепление материала

(Фронтальное собеседование по вопросам)

1. Что представляет собой понятие – биоразнообразие?
2. Какое явление получило название – главного градиента разнообразия?
3. Перечислите факторы, которые влияют на биоразнообразие?
4. Экологическая ниша – это…?
5. Назовите причины массовых вымираний различных видов животных и растений.
6. Как уменьшается биоразнообразие под воздействием человека?

V. Итог урока

Изучение биоразнообразия из области чисто научных интересов перешло в область необходимых практических действий. Трудами многих биологов удалось показать, что функционирование и само стабильное существование биосферы, в которой протекает жизнь людей, зависят от совершенства регуляции проходящих в биосфере процессов. А оно может осуществляться только через разнообразие. Так что в итоге сохранение биоразнообразия относится к числу наиболее актуальных мировых задач.

VI. Домашнее задание

(слайд 32)

(Разделиться на группы и подготовиться к семинарскому занятию по отдельным темам):

Группа 1. Изучить биоразнообразие мира, РФ и территории нашей Республики – Дагестан, в числовом соотношении. Рассказать о редких и исчезающих видах животных и растений, обитающих на территории нашей Республики, на примере 10 представителей.

Группа 2. Изучить факторы влияющие на биоразнообразие. Привести примеры.

Группа 3. В истории наземных четвероногих животных были три крупнейших эпохи массовых вымираний: в конце пермского периода, середине юрского и конце мелового. Подготовить сообщение о каждой эпохе.

Спасибо за урок! До новых встреч!

Список литературы:

1. Э. А. Киселева «Книга для чтения по Дарвинизму». М.:Просвещение, 1980.
2. Алимов А.Ф., Старобогатов Я.И., Кержнер И.М. и др. Журн. общ. биологии. 1996. № 2.
3. Грант В. Эволюция организмов. М.: Мир, 1980.
4. Грант В. Эволюционный процесс. М.: Мир, 1991.
5. Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980.
6. Чернов Ю.И., Пенев Л.Д. Успехи соврем. биологии. 1993.
7. Барсков И.С., Жерихин В.В., Раутиан А.С. Журн. общ. биологии. 1996. № 2.
8. Сулей М., Уилкокс Б. Биология охраны природы. М.: Мир, 1983.
9. ru.wikipedia.org› Список заповедников России
10. ru.wikipedia.org› wiki/Дагестанский заповедник
11. biospace.nw.ru› biodiversity/about-biodiv.htm