«УТВЕРЖДАЮ Декан факультета _ 2013 г. Рабочая программа дисциплины Экология и рациональное природопользование Для студентов III курса Направление подготовки 020400.62 БИОЛОГИЯ Профиль подготовки – Биоэкология, Ботаника, ...»
Рабочая программа дисциплины Экология и рациональное природопользование Для студентов III курса Направление подготовки 020400.62 БИОЛОГИЯ Профиль подготовки – Биоэкология, Ботаника, Общая биология, Физиология человека Квалификация (степень) Бакалавр Форма обучения Очная Обсуждено на заседании кафедры Составители:
«_» 2013 г. к.б.н., профессор С.М. Дементьева Протокол № Зав. кафедрой_ Тверь II. Пояснительная записка 1. Цели и задачи дисциплины Цель курса - повышение экологической грамотности студентов, формирование у них экологического мышления и культуры, а также становление мировоззрения о единстве человечества и природы.
Задачи курса:
1) Формирование знаний об основных понятиях и законах экологии 2) Овладение специальными методами экологических исследований 3) Формирование специальных умений и навыков по защите и охране окружающей среды 4) Изучение опыта различных стран по осуществлению грамотного природопользования и охраны природы 5) Изучение основ экологического права 6) Изучение основ экономики природопользования 7) Формирование экологической грамотности и экологической культуры у студентов 2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Дисциплина входит в базовую часть профессионального цикла (ОПД). Содержательно она связана с дисциплиной базовой части математического и естественнонаучного цикла (ЕН) «Общая биология», вариативной части ЕН «Биоразнообразие растений для устойчивости биосферы», «Биоразнообразие животных для устойчивости биосферы», дисциплинами базовой части ОПД «Ботаника», «Зоология», дисциплинами по выбору ОПД «Биологическая оценка среды», дисциплиной профиля Биоэкология «Экология популяций и сообществ».
3.Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.
4. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) «Экология и рациональное природопльзование»:
• следование этическим и правовым нормам в отношении других людей и природы, наличие четкой ценностной ориентации на сохранение природы (ОК-1);
• приобретение новых знаний и формирование суждений по научным, социальным и другим проблемам, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-3);
• использование в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области естественных наук (ОК-6);
• проявление экологической грамотности и использование базовых знаний в области биологии в жизненных ситуациях; понимание социальной значимости и умение прогнозировать последствия своей профессиональной деятельности, готовность нести ответственность за свои решения (ОК-8);
• демонстрация базовых представлений о разнообразии биологических объектов (ПК -1) • демонстрация и применение базовых знаний об основах общей, системной и прикладной экологии, принципах оптимального природопользования и охраны природы (ПК-9);
• понимание, изложение и критический анализ получаемой информации (ПК -17).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать: теоретические основы и базовые представления наук о разнообразии биологических объектов, основы экологии и рационального природопользования;
•Уметь: излагать и критически анализировать базовую экологическую информацию;
• Владеть комплексом методов экологических исследований.
5. Образовательные технологии Активные и интерактивные формы проведения занятий (компьютерные симуляции, деловые и ролевые игры, разбор конкретных ситуаций), проблемные лекции, лекциявизуализация, лабораторные занятия, коллоквиумы, контрольные работы и тестовые задания, выполнение заданий для самостоятельной работы в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью (миссией) программы, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин, и в целом в учебном процессе они должны составлять не менее 25 % аудиторных занятий (определяется требованиями ФГОС с учетом специфики ООП). Занятия лекционного типа для соответствующих групп студентов не могут составлять более 41 % аудиторных занятий (определяется соответствующим ФГОС)).
6. Формы контроля – экзамен III. Учебная программа Предмет, задачи и методы современной экологии. Краткая история ее формирования.
Экология как наука, познающая живой облик биосферы, и как мировоззрение сосуществования человека с остальной природой. Введение термина «экология» Эрнстом Геккелем в 1866 г. для обозначения науки о взаимодействиях организма и среды.
Экология как «физиология взаимоотношений» в геккелевской системе биологических наук. Две группы задач и соответствующие им подходы в современной экологии:
1. Изучение механизмов, определяющих распространение организмов, их обилие и его изменение во времени (популяционный подход).
2. Изучение протекающих с участием организмов процессов трансформации вещества и энергии в экосистемах и биосфере (экосистемный подход). Возможности и ограничения каждого из подходов. Объяснительное начало современной экологии. Роль теоретических моделей (гипотез), экспериментов и полевых наблюдений.
Множественность корней современной экологии. Естественная история XVIII в.:
описание биоразнообразия в рамках таксономии, креационистские представления об «экономии природы» и «природном равновесии». Биогеография: путь от описания распространения организмов к его объяснению (А. Гумбольдт, А. Декандоль).
Демография: первые модели роста популяций (Т. Мальтус, П.-Ф. Ферхюльст). Теория естественного отбора Ч. Дарвина: элементы будущего популяционного подхода. Изучение сообществ в рамках ботаники и зоологии.
Начало оформления экологии в самостоятельную науку на рубеже XIX и XX в.
Концепция сукцессии - одна из первых в нарождающейся науке (Г. Каульс, Ф. Клементе).
Период интенсивного становления экологии - 1920 - 1940 г.г. Появление экологических обществ и специализированных периодических изданий. Переоткрытие «логистического закона» роста популяций (Р. Перль). «Экология животных» Ч. Элтона.
Математические модели межпопуляционных взаимодействий (В. Вольтерра, А. Лотка).
Внедрение экспериментальных методов (работы Г.Ф. Гаузе). Элементы будущего экосистемного подхода в лимнологии (Э. Бердж в США, А. Тинеман в Германии; Л.Л.
Россолимо, Г.Г. Винборг, B.C. Ивлев в России). Введение понятий «экосистема» (А.
Тенсли) и «биогеоценоз» (В.Н. Сукачев). Популяционный подход в экологии растений (Л.Г. Раменский в России, Г. Глинзон в США). Учение о биосфере В.И. Вернадского.
Организм как дискретная самовоспроизводящаяся структура, связанная обменом веществ с окружающей средой. Способность к росту и размножению. Унитарные и модулярные организмы. Два типа экологических факторов: условия и ресурсы. Диапазон значений основных физических и химических показателей (температуры, влажности, рН, солевого состава и др.), в пределах которого возможно существование и размножение организмов. Кривая толерантности. Многомерная модель экологической ниши.
Взаимодействие факторов. Переживание неблагоприятных условий в покоящемся состоянии.
Обменные процессы, связывающие организмы со средой. Биогенные элементы.
Источники энергии для организмов. Автотрофы. Фотосинтез и хемосинтез. Дыхание растений. Заменимые и незаменимые ресурсы. Лимитирующая концентрация необходимого ресурса. «Закон Ю. Либиха». Гетеротрофы. Поступление энергии с пищей и ее дальнейшая трансформация. Рацион, ассимиляция, траты на обмен, рост и размножение. Потребление кислорода как показатель скорости обмена. Зависимость общего обмена и его интенсивности от массы тела. Влияние температуры на организмы.
Эктодермы и энтодермы. Зависимость интенсивности обмена и скорости развития от температуры. Правило «суммы температур».
Жизненные циклы. Полициклические (размножающиеся многократно) и моноциклические (размножающиеся однократно) организмы. Компромиссное расходование ресурсов в ходе жизненного цикла. Отрицательные корреляции между отдельными особенностями цикла. Представление о г- и К-отборе. «Цена» размножения.
Определение сообщества. Различные подходы к выделению сообществ, описанию их структуры и функционирования. Сообщество, трактуемое как целостная высокоинтегрированная система («квазиорганизм»), и сообщество - как простая совокупность совместно обитающих популяций. Ординация и классификация сообществ.
Структура сообществ. Видовое разнообразие как интегральная характеристика сообщества. Индексы видового разнообразия, их зависимость от числа видов и соотношения их численностей. Различные типы рангового распределения обилии видов, входящих в сообщество. Роль конкуренции и хищничества в формировании и поддержании структуры сообществ. Островные сообщества: соотношение случайности заселения и биотических взаимодействий в формировании видового состава. Расхождение экологических ниш в сообществе. Основные типы эколого-ценотических стратегий по Л.Г. Раменскому и Грайму: виоленты (компетиторы), патиенты (стресс-толеранты) и эксплеренты (рудералы).
Динамика сообществ во времени. Первичные и вторичные сукцессии. Климаксные сообщества. Изменения видового разнообразия в ходе сукцессии. Связь между продуктивностью и разнообразием. Снижение разнообразия луговой растительности при удобрении.
Устойчивость сообществ. Локальная и общая устойчивость. Связь между сложностью сообщества и его устойчивостью. Снижение локальной устойчивости в сложных моделях пищевых сетей. «Связность» пищевых сетей - доля пар непосредственно взаимодействующих видов от всех возможных попарных сочетаний видов в сообществе. Снижение связности при увеличении числа видов. Особая уязвимость (хрупкость) сложных сообществ развивающихся в стабильных прогнозируемых средах.
Нарушение структуры сообществ под влиянием антропогенных воздействий.
Снижение видового разнообразия донных сообществ рек при загрязнении. Использование индексов разнообразия и комбинированных показателей, учитывающих индикаторную значимость отдельных таксономических групп организмов. Катастрофическое снижение видового разнообразия тропических сообществ в результате хозяйственной деятельности человека. Разработка мер по охране биоразнообразия.
Экосистема как функциональная и структурная единица биосферы. Круговорот биогенных элементов. Трудности определения границ экосистемы: несовпадение пространственно - временных масштабов круговоротов разных элементов. Экосистемы и сообщества Биогеоценоз. Биом.
Основные функциональные группы организмов в экосистеме. Продуценты, консументы и редуценты. Условность границы между консументами и редуцентами.
Биогрофы и сапротрофы Биомасса и продукция. Первичная продукция: чистая, валовая, фотосинтетчески активная радиация (ФАР). Лимитирование первичной продукции различными факторами (освещенностью, температурой, влажностью, концентрацией биогенных элементов). Утилизация первичной продукции в трофических цепях.
Пастбищная и детритная пищевые цепи. Трофические уровни. Пирамида продукций и пирамида биомасс. Экологическая эффективность.
Водные экосистемы. Вода как среда жизни. Плотность воды и зависимость от температуры. Теплоемкость. Система течений. Оптические свойства воды.
Проникновение света на глубину: снижение освещенности и изменение спектрального состава. Вертикальная структура водной толщи. Соотношение масштабов перемешивания по горизонтали и вертикали. Вода как универсальный растворитель. Основной химический состав океанических и континентальных вод.
Жизнь в толще воды и на дне. Планктон, нектон, бентос. Пелагиаль и литораль.
Основные группы продуцентов: фитопланктон и макрофиты. Первичная продукция фитопланктона и методы ее определения. Факторы, ограничивающие продукцию фитопланктона. Количественное соотношение основных биогенных элементов (углерода, азота фосфора) в телах организмов и в окружающей среде. Основные группы консументов и редуцентов Зоопланктон и его роль в минерализации органического вещества. Инвентированная пирамида биомасс. Гетеротрофные бактерии. Взвешенное и растворенное органически вещество. Детрит.
Океанические экосистемы. Неравномерность распределения первичной продукции по акватории океана. Высокая продуктивность прибрежных зон и районов подъема глубинных вод (апвеллинов) Крайне низкая продуктивность большей части Мирового океана. Коралловые рифы - уникальные экосистемы высокой продуктивности и высокого разнообразия. Разрушение коралловых рифов в результате деятельности человека.
Специфичные экосистемы, развивающиеся на глубине в местах выхода богатых сульфидам термальных вод. Определяющая роль хемосинтеза.
Океан как ограниченный источник пищевых ресурсов для человека. Рыбный и китобойный промысел. Аквакультура. Охрана морских экосистем от нефтяного и других видов загрязнения. Внутренние моря и эстуарии: их высокая продуктивность, возможности использования и охрана.
Континентальные водоемы. Озеро как экосистема. Термических режим озер.
Стратификация водной толщи. Разные типы озер (олиготрофное, мезотрофное, евтрофное). Ключевая роль фосфора в лимитировании первичной продукции. Фиксация атмосферного азота Сезонная сукцессия в планктонном сообществе. Биогенная «нагрузка» и евтрофирование. Меры предотвращения евтрофирования. Контроль за развитием «снизу» (недостатки биогенов) и «сверху» (за счет пресса фитофагов).
Биоманипулирование.
Особенности речных экосистем. Соотношение автохтонного и аллохтонного органического вещества. Загрязнение рек и меры его предотвращения. Искусственное зарегулирование стока рек и его экологические последствия.
Наземные экосистемы. Особенности их организации, отличия от экосистем водных. Определяющая роль высших растений. Резкое преобладание биомассы растений над биомассой животных. Важность детритных пищевых сетей. Почва и происходящие в ней процессы трансформации вещества. Роль животных, бактерий и грибов.
Основные типы растительных формаций Земного шара. Их распределение в зависимости от климатических условий. Первичная продукция в наземных экосистемах разного типа. Влажные тропические леса - наиболее продуктивные экосистемы биосферы. Малое количество биогенов и высокая скорость их циркуляции. Сложная ярусная структура. Жизнь в кронах. Чрезвычайно высокое видовое разнообразие и его возможное объяснение. Катастрофические последствия сведения тропических лесов.
Противоречия между необходимостью природоохранных мер и необходимостью развития сельского хозяйства в тропических районах с быстро растущим населением.
Тропические саванны и бореальные степи. Количество осадков и неравномерность их распределения во времени как факторы, препятствующие развитию лесов. Пожары и их экологическая роль. Значительная первичная продукция и сильный пресс фитофагов Превращение степей в пастбища и поля. Роль злаковых культур. Применение удобрений и пестицидов.
Пустыни (жаркие и «холодные»). Вода - основной лимитирующий фактор.
Приспособления растений и животных к жизни в пустыне. Искусственное орошение пустынь и его последствия. Засоление почв. Расширение области, занятой пустынями, в результате деятельности человека.
Листопадные и хвойные леса умеренной зоны. Ярко выраженная сезонность.
Сведение лесов исходного типа и замена их искусственными насаждениями.
Хвойные бореальные леса (тайга). Короткий период вегетации и долгая снежная зима. Болота. Их роль в регуляции речного стока. Охрана таежных экосистем.
Тундра. Низкие температуры и короткий вегетационный сезон. Вечная мерзлота.
Приспособления организмов к длительному промерзанию. Уязвимость тундровых экосистем для антропогенных воздействий.
Определение популяции в экологии и генетике. Генетическая неоднородность | популяции. Границы популяции.
Статические характеристики популяции: общая численность, плотность, структура I (размерная, возрастная, половая). Связь между размерами организмов и плотностью i популяции. Популяция в пространстве: случайное, агрегированное (пятнистое) и регулярное размещение особей. Выявление характера распределения с помощью статических методов. Причины, приводящие к определенному типу пространственного размещения. Расселение и снижение локальной плотности популяций. Территориальное поведение. Соотношение затрат на охрану территории и получаемых при этом выгод.
Динамические характеристики популяции: скорость роста численности, рождаемость, смертность, интенсивность иммиграции и эмиграции. Динамика популяции как баланс протекающих в ней процессов. Распределение смертности по возрастам.
Когортные и статические таблицы выживания (дожития), способы их построения. Расчет ожидаемой продолжительности дальнейшей жизни для разных возрастов. Основные типы кривых выживания и их распространенность среды различных групп организмов.
Демографические таблицы, учитывающие интенсивность размножения. Определение коэффициента воспроизводства RO. Время генерации и способы его оценки.
Экспоненциальная модель популяционного роста. Постоянство удельной скорости роста численности, как необходимое и достаточное условие экспоненциального роста.
Скорость экспоненциального роста, ее зависимость от характеристик организма (размера и ф.), обеспеченности ресурсами и условий среды. Стабильное возрастное распределение, достигаемое при экспоненциальном увеличении численности. Расчет скорости экспоненциального роста по демографическим таблицам. Репродуктивная структура популяции.
Разные типы возрастной структуры популяций и их связь с динамикой численности. Динамика биомассы популяции. Продукция как суммарный прирост массы особей. Элиминация биомассы.
Рост народонаселения во всем мире и в отдельных регионах, Изменение кривой выживания по мере экономического развития и улучшения здравоохранения. Детская смертность. Различия в возрастной структуре и скорости роста популяций в развитых и развивающихся странах.
Проблема динамики численности популяций. Логистическая модель регуляции роста численности: предпосылки и следствия. Эффект запаздывания и автоколебания численности.
Воспроизведение автоколебательного режима в лабораторных условиях (опыты А. Никольсона с падальной мухой). Детерминирование равновесной плотности и регуляция. Лимитирующая роль климатических условий. Ограничение популяций ресурсами, прессом хищников и паразитов. Факторы, зависимые и независимые от плотности. Гипотеза «распределения риска».
Минимальный размер популяции, необходимый для ее благополучного существования.
Проблема охраны редких исчезающих видов. Красные книги.
Концепция саморегуляции численности. Поведенческие, физиологические и кинетические механизмы регуляции. Разнообразие типов динамики популяций - от логического до строго периодического. Циклические колебания численности грызунов, яйцеобразных и хищных. «Групповой эффект», явление смены «фаз» и вспышки численности саранчовых. Смена механизмов регуляции в зависимости от достигнутого уровня численности.
Преобладающий способ регуляции численности и положение организмов в цепях питания.
Эволюция механизмов регуляции численности.
Виды-вредители и их происхождение. Ограничение численности видов-вредителей:
истребительные и регулирующие меры. Пестициды. Последствия применения хлорорганических пестицидов: накопление в верхних звеньях трофической цепи. 1 переменные требования к пестицидам. Поддержание численности видов-вредителей на экономически оправданном уровне. Использование естественных врагов для контролирования видоввредителей.
Разные типы взаимодействий (хищничество, конкуренция, мутуализм) и способы их выявления.
Отношения «ресурс-потребитель» (хищник - жертва). Функциональная реакция потребителя на увеличение количества ресурса. Разные типы функциональной реакции.
Численная реакция потребители на возрастание количества ресурса. «Пороговая концентрация» ресурса - минимальное содержание ресурса, допускающее поддержание стационарной (постоянной) численности. Изоклина «нулевого прироста» популяции в пространстве двух ресурсов (взаимозаменимых и незаменимых).
Колебания «хищник - жертва». Математические модели А. Лотки и Розенцвейга Макартура: их графическое выражение и интерпретация. Попытки создания экспериментальных моделей системы «хищник - жертва» в природе. Эффективность регуляции хищниками популяций жертв в зависимости от их плотности. «Расчетливое хищничество». Коэволюция хищника и жертвы.
Пищедобывательное поведение хищников (потребителей). Соотношение затрат на добывание пищи и получаемых при этом выгод. Оптимальная стратегия выбора жертв.
Популяции животных, эксплуатируемых человеком. Разные стратегии промысла, Максимальный поддерживаемый урожай. Опасности «фиксированной квоты» (пример китобойного промысла). Регулирование промыслового усилия и процента изъятия Размерно-возрастная структура эксплуатируемых популяций.
Особые виды «хищничества». Взаимодействия растительноядных животных и растений. Компенсирующий рост растений. Разная степень устойчивости травянистых растений к выеданию фитофагами. Механизмы защиты растений от фитофагов и «цен»
«