ВВЕДЕНИЕ Программная среда Искусственная жизнь предназначена для практических и лабораторных занятий по экологии....

ВВЕДЕНИЕ
Программная
среда
Искусственная
жизнь
предназначена
для
практических и лабораторных занятий по экологии. Программа позволяет
моделировать
на
IBM-совместимых
компьютерах
климатические,
геологические, биологические, инженерные процессы, подчиняющиеся законам
эволюции и генетики. Параметры этих процессов, включая температуру,
влажность, ландшафт, биологические виды и экосистемы, изменяются внутри
программы. Искусственная жизнь представляет собой инструментальную среду
с объектно-ориентированным программированием и включает в себя, кроме
главного меню, множество окон, текстовых полей, графических объектов,
кнопок. Кроме этого, имеются анимации и звуки. Экран компьютера
представлен на рисунке 1.
РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ ПРОГРАММЫ SIMLIFE
(ИСКУССТВЕННАЯ ЖИЗНЬ) ДЛЯ IBM-СОВМЕСТИМЫХ
КОМПЬЮТЕРОВ
Программа Искусственная жизнь предназначена для компьютерного
моделирования процессов в экологических системах. При этом заложенные в
программе алгоритмы во много раз проще, чем законы реального мира.
Например, почва рассматривается как некий монолит с однородным
химическим
составом,
органические
остатки
погибших
организмов
автоматически, без участия деструкторов, превращаются в почву. Из всех
свойств атмосферы учитываются только влажность и температура воздуха,
эволюционное образование нового вида возможно только при смене
нескольких поколений, в то время как в реальной жизни для этого требуется от
1000 до 100 000 поколений. Тем не менее, программа искусственная жизнь
является мощным инструментом для изучения и исследования важнейших
экологических законов.
1.1. ЗАПУСК ПРОГРАММЫ
Для того чтобы запустить программу, нужно дважды щелкнуть левой
клавишей мыши, по ярлыку SimLife. Так как программа сконфигурирована для
работы в режиме эмуляции MS-DOS, появится сообщение о том, что все
остальные программы будут закрыты. Нужно подтвердить операцию. После
этого появится первое активное окно Новая игра с несколькими экранными
кнопками, представленное на рисунке 2.
Согласно заданию преподавателя следует выбрать сценарий занятия и
нажать кнопку Play Scenario (Играть по сценарию), либо нажать кнопку Tutorial
(консультация), чтобы ознакомиться с устройством и принципом действия
программы Искусственная жизнь, либо нажать кнопку Experimental Mode
(Режим эксперимента), затем Play Scenario (Играть по сценарию). После этого,
меню программы станет активным, и можно начинать практическое занятие.
1.2. ЗАВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ С ПРОГРАММОЙ
Работу программы можно завершить, нажав кнопку Quit (Выход) в окне
Новая игра. Если вы уже начали выполнение практического задания, в главном
меню, следует выбрать File (Файл), затем команду Quit (Выход). После
появления системного сообщения о сохранении файла нажать кнопку No (Нет).
1.3. ОКНО НОВАЯ ИГРА
Название любого окна указано либо вверху окна, либо в главном меню
программы.
Окно
Новая
игра
появляется
после
запуска
программы
Искусственная жизнь и позволяет выбрать следующие режимы работы, нажав
одноименную кнопку окна:
1.
Tutorial
(консультация)
информацию о работе программы.
предоставляет
дополнительную
2.
Desert to forest (Лес из пустыни) – это готовый сценарий, когда
программа сама создает мир, заселенный растениями. Предполагается наличие
в мире деструкторов, но управление ими и получение о них информации
невозможно.
3.
Battle of the sexes (Битва полов) – программа создает мир,
заселенный одним видом растений и одной популяцией животных с
преобладанием на генетическом уровне особей женского пола. В ходе
эволюционного развития число мужских и женских особей должно сравняться.
4.
Feast & famine (Пир и голод) – программа создает мир, населенный
небольшим количеством травоядных животных и растений. В таком мире
происходит
частое
чередование
благоприятных
и
неблагоприятных
климатических условий и других внешних воздействий.
5.
Carnivoria (Хищничество) – мир содержит 7 видов животных и 14
видов растений. Трофические цепи в мире более сложны, так как помимо
консументов первого порядка присутствуют и хищники.
6.
Terrible lizards? (Ужасны ли ящеры?) – это готовый сценарий, в
котором мир содержит 19 видов растений. Имеется возможность заселить мир
достаточно большим (до 20 штук) числом видов животных с генотипом,
характерным для древних ископаемых.
7.
March of the mutants (Развитие мутантов) – мир содержит по 16
видов растений и животных со случайным набором генотипов. Число животных
одного вида равно 20. При исчезновении вида его численность автоматически
возобновляется. Один из перечисленных шести сценариев можно реализовать,
если после выбора сценария со 2 по 7 пункт нажать кнопку Play Scenario
(Играть по сценарию).
8.
Experimental
Mode
(Режим
эксперимента)
–
пользователю
предлагается самостоятельно создать мир, определить его ландшафт, климат,
заселить животными и растениями, либо создавать свои виды животных и
растений и расселить их. После нажатия кнопки Play Scenario (Играть по
сценарию) на экране появляется окно с названием сценария, показывающее
состояние и развитие данного сценария. Вверху окна находится пульт
управления сценария, описание кнопок которого представлено на рисунке 3.
Одновременно с окном сценария появляется окно Map of World (Карта мира),
показывающее состояние ландшафта, климата и других внешних факторов.
Пульт управления Map of World (Карта мира) с описанием кнопок представлен
на рисунке 4.
2. ГЛАВНОЕ МЕНЮ ПРОГРАММЫ ИСКУССТВЕННАЯ ЖИЗНЬ
Главным меню называют строку слов в верхней части экрана. Описание
главного меню дается в объеме, достаточном для выполнения предлагаемых
практических заданий.
Главное меню позволяет выполнить достаточно большое количество
команд по управлению программой. Это меню является многоуровневым, так
как в его строке находятся не команды, а заголовки групп команд. Для
выполнения конкретной команды необходимо навести курсор мыши на
соответствующий заголовок, а затем нажать левую кнопку. Под заголовком
появится список команд либо список заголовков команд. Курсор мыши
перемещается на требуемую команду или заголовок команд. Выполнение
команды осуществляется нажатием левой клавиши мыши. Выполнены могут
быть только команды, активные в настоящий момент (помечены черным
цветом). Если после названия команды стоит многоточие, то перед ее
выполнением программа проведет диалог с пользователем. Рассмотрим каждое
слово Главного меню.
2.1. File (Файл)
Содержит следующие команды:
About (О…) – сведения о создателях SimLife.
New (Новая игра) – запуск новой игры.
Load (Загрузить игру) – запуск ранее сохраненной игры.
Save (Сохранить) – сохранить существующую модель мира с именем
открытой игры.
Save as…(Сохранить как…) – присвоить имя и сохранить игру.
Quit (Выход) – выход из игры.
2.2. Edit (Редактор)
Позволяет выполнить команды:
Cut (Вырезать) – вырезать объект.
Copy (Копировать) – копирование объекта.
Paste (Вставка) – вставка копированного или вырезанного объекта.
Clear (Очистить) – удалить объект.
2.3. Simulation (Моделирование)
Является многоуровневым меню и содержит заголовки команд:
Goodies (Удобства) – содержит три команды управления звуками;
автослежение за организмом; показывать сообщения о наиболее значимых
событиях.
Layers (Слои) – содержит шесть команд управления индикацией в окне
Map of World (Карта мира).
Difficulty (Сложность) – вариант сложности математической модели
мира.
Technical (Технический) – содержит десять команд. Наиболее важными
являются следующие: Change Physics (Изменить физику) – открывает окно,
позволяющее редактировать year length (длину года) 16, 32, 64, 128, 256 days
(дней), day length (длину дня) 8, 16, 32, 64, 128, 256 ticks (тактов), animal limit,
plant limit (максимально возможное в мире число животных и растений),
степени изменения почвы и климата, величину мутации организмов,
энергетическую ценность разных видов пищи и затраты энергии на различные
виды деятельности организмов.
Locate an Individual (Индивидуальный поиск) – открывает диалоговое
окно или вопросник для создания новых миров.
World Building Options (Параметры создания мира) – позволяет внести
соответствующие коррективы при создании новых миров.
Run Control (Автоматическая пауза) – отключение digital clock (точных
часов) через определенное число лет или дней для анализа пользователем
результатов эксперимента.
Auto Speciate (Авторазновидность) – разрешает создание новых видов в
ходе эволюции.
Reconverge Speciate – объединять похожие виды в один вид при их
возникновении в ходе эволюции.
2.4. Speed (Скорость)
Регулирует скорость работы digital clock (точных часов).
Pause – пауза.
Slow – медленная скорость.
Medium – средняя скорость.
Fast – быстрая скорость.
Ultra – очень быстрая скорость.
2.5. Windows (Окна)
Активизирует следующие окна:
Variables – состояния.
Phenotype – фенотип.
Evaluation – оценка пользователю программы.
Edit – редактирование сценария.
Map – карта.
Climate Lab –климатическая лаборатория.
Biology Lab – биологическая лаборатория.
Census (Перепись) – содержит diversity (разнообразие), food web
(пищевая цепь), gene pool (генофонд), graphs (диаграммы), history (история),
mortality (смертность), population (популяция).
2.6. Disasters (Бедствия)
Позволяет
управлять неблагоприятными для
исследуемого
мира
внешними воздействиями, которые называют помехами или бедствиями. Вызов
бедствия осуществляется следующими командами:
Plague (Чума) – заболевает 10% контактирующих организмов.
STD – инфекции, передающиеся половым путем.
Heat Wave – жара.
Cold Wave – холод.
Flood – наводнение.
Drought – засуха.
Fire (Пожар) – гореть может только растительность.
Comet – комета.
Teleport (Телепортация) – случайное перемещение организмов.
Civilization (Цивилизация) – вырубка лесов, создание техносферы
(жилья и дорог).
Перечисленные помехи возникают в мире не только при выполнении
соответствующих команд, но и под управлением генератора случайных чисел.
Выполнив команду No Auto Disasters (Выключить генератор бедствий), можно
прекратить возникновение новых бедствий в исследуемых экологических
системах.
На рисунках 6 и 7 представлены виды животных и растений, существующих в
программной среде SimLife (Искусственная жизнь).
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №1
ЭВОЛЮЦИЯ И МУТАГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ БИОСФЕРЫ
Процесс
развития
биосферы,
называемый
эволюцией,
является
результатом множества микроэволюций – направленного изменения особей
конкретной популяции. Эволюционные изменения популяций происходят под
действием двух факторов: мутации организмов и естественного отбора.
Для уяснения понятия мутации кратко рассмотрим механизм передачи
наследственных признаков при размножении особей. Основная информация о
строении организма содержится в генах – специфических макромолекулах,
присутствующих в каждой клетке организма. Отдельные участки генов
одинаковы
для
каждого
организма
данного
вида.
Они
определяют
принадлежность организма к данному виду, не могут изменяться в ходе
эволюции
и
называются
гомозиготными.
Остальные
участки
генов,
определяющие индивидуальные свойства организма, изменяются при смене
поколений и называются гетерозиготными, а соответствующее свойство
организмов
популяции
изменяться
при
смене
поколений
называется
гетерозиготностью, или гетерогенностью.
Наличие гетерозиготных участков генов у организма не сказывается на
его внешнем облике (фенотипе), но у потомства разнополых родителей с
идентичным гетерозиготным участком гена этот участок может стать
гомозиготным, т.е. сказаться на устройстве организма потомка и утратить
способность к изменениям. Вместе с тем именно гетерогенность организмов
преимущественно обуславливает возникновение в популяциях мутации –
внезапного
естественного
или
искусственно
вызванного
наследуемого
изменения генетического материала, приводящего к изменению тех или иных
признаков организма. Таким образом, мутация обеспечивает появление в
популяции организмов с отклонениями от стандартного набора признаков, а
влияние окружающей среды приводит к гибели особей с неудачными
отклонениями,
то
есть
существует
естественный
отбор
генетического
материала популяции (генофонда).
При длительной стабильности экологических факторов в популяции
осуществляется стабилизирующий отбор, препятствующий ее изменчивости.
При стабильных дрейфах значений факторов организмы приспосабливаются к
ним либо изменением одного адаптивного признака (движущий отбор), либо
изменением в нескольких направлениях (дизруптивный отбор, приводящий к
образованию нескольких видов из одного). Анализ эволюционных процессов
показывает, что чем больше гетерогенность популяции, тем шире ее
экологические кривые и выше ее приспособительные возможности. Поэтому
генетическое разнообразие особей популяции чрезвычайно важно для ее
устойчивого существования.
Для анализа гетерогенности популяции вводят понятия эффективного
размера популяции. Ne – это численность идеальной популяции, в которой
каждая особь дает равный вклад в общий генофонд нового поколения. В
реальной популяции ее численность N всегда превышает Ne по следующим
причинам:
1. Колебания числа потомков в семье
N e = 4N/(2 +  ) (1)
где  - дисперсия числа потомков. Например, при  = 4 число детей в
семье меняется от 0 до 4, а Ne = 2N/3.
2. Колебания численности поколений
l/N e = (1/N l + 1/N 2 + ... + l/N m )/m (2)
где Nm - численность m-гo поколения.
Например, снижение в одном из десяти поколений численности
популяции с 1000 до 50 особей приведет к снижению Ne с 1000 до 345.
3. Неравное число самцов N1 и самок N2
l/N e = l/(4N l ) + 1/(4N 2 ) (3)
Из (3) видно, что максимум Ne достигается при N1 = N2.
4.
Инбридинг
–
близкородственное
скрещивание,
повышающее
вероятность наличия идентичных гетерозиготных участков генов родителей и
появления гомозиготных организмов не в результате естественного отбора. Это
явление
используется
селекционерами
для
закрепления
необходимых
наследственных признаков при создании новых видов растений и животных.
При отсутствии контроля экспериментатора инбридинг ведет к вырождению и
гибели популяции, что подтверждается историей некоторых царствовавших
династий.
Для
количественной
оценки
данного
явления
введено
понятие
коэффициента инбридинга:
f=l-(l-l/(2Ne ))m (4)
где m – число поколений.
Опыт животноводов показал, что плодовитость популяций падает при f
> 0.5. Решая показательное уравнение (4) при заданном значении f, получим,
что число поколений, приводящее популяцию к порогу вымирания, равно m =
l.5Ne. Таким образом, снижение гетерогенности ведет к вымиранию популяции.
Однако чрезмерный рост генетического разнообразия популяции приводит к
утере популяцией способности генетического адаптирования к изменяющимся
условиям окружающей среды. Для каждой популяции существуют некоторые
оптимальные значения гетерозиготности, зависящие от ее численности,
структуры, исходного генофонда, статических и динамических характеристик
окружающей среды. Например, при длительной стабильности экологических
факторов высокая гетерогенность популяции не требуется, а при изменении
экологических факторов выживает наиболее гетерогенная популяция. Поэтому
обитатели разных экологических систем обладают разной гетерогенностью.
Например, у человека число гетерозиготных участков генов составляет около
20%. Мутация является процессом, повышающим гетерогенность популяции.
Мутагены – это физические и химические экологические факторы,
воздействие которых на живые организмы приводит к возникновению мутаций
с частотой, превышающей уровень спонтанных реакций. К
физическим
мутагенам относят ультрафиолетовое излучение, повышенную и пониженную
температуры, ионизирующие излучения (гамма- и рентгеновские лучи,
протоны, нейтроны и так далее).
Химическими мутагенами являются аналоги нуклеиновых кислот,
чужеродные ДНК и РНК, алкалоиды и другие вещества. Устойчивость
организмов к воздействию мутагенов различна. Вирусы в 3-1000 раз более
стойки к ним, чем растения, а растения – в 2-800 раз по сравнению с
теплокровными животными. В целом более высокоорганизованные особи менее
стойки к воздействию мутагенов. Поэтому предельно допустимый уровень
мутагенных воздействий нормируется на человека.
Таблица 1-1.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Tree Fern
(Циатея
древовидная)
Balsam
Fir
(Пихта
бальзамная)
Fennel
(Укроп)

Cottonwood
(Тополь)
Maize
(Маис)
Poplar
(Осина)
Giant
Kapok
(Капок
дерево)
Wheatgrass
(Пырей)
Ostrich
Fern
Willow
(Ива)
(Оноклея)





























Цель задания: Исследование воздействия мутагенов на растения.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь. В окне Новая игра
выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play
Scenario(Играть по сценарию).
2.
В окне World Design (Проект мира) установить параметры:
Mountains (горы), Toxins (токсины), Barriers (барьеры), Food Sources (источники
пищи) – на минимум, Mutagens (мутагены) – на максимум, World Average
Temp. (средняя температура), Rivers & Lakes (реки и озера) и другие – 50%.
Установить World Size – Tiny (размер мира – крошечный). Нажать кнопку Make
It So (Продолжить).
3.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), затем Change Physics (Изменить физику). В открывшемся окне
необходимо установить параметры Lifespan – Brief (Длина жизни –
кратчайшая); Day length – 8 ticks (Длина дня - 8 тактов), Year length – 16 days
(Длина года - 16 дней); Plant limit – Unlimited (число растений –
неограниченно); Mutation rate – medium (Мутация средняя).
4.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический) Set Time to 0(установить время на 0), а затем Run Control
(Автоматическая пауза). В появившемся окне установить число 1, затем нажать
кнопки Years (Годы) и Make It So (Продолжить).
5.
Так как в ходе эксперимента исследуемые популяции будут
мутировать, вначале необходимо создать достаточное количество копий
растений. Для этого в окне The Biology Lab (Биологическая лаборатория)
выбрать ненужное для эксперимента растение. Нажать кнопку Delete (Удалить).
Аналогично удалить еще 7 растений. Затем выбрать первое из исследуемых
растений. Нажимая кнопку Copy (Копировать), создать 4 копии вида первого
исследуемого растения. Присвоить созданным копиям имена. Для этого
выбрать копию, нажать кнопку Edit (Редактор). Во втором уровне окна The
Biology
Lab
(Биологическая
лаборатория)
нажать
кнопку
Rename
(Переименование) и ввести с клавиатуры имя копии вида. Например, Willow1
(Ива1). Нажать на клавиатуре клавишу Enter. Возврат на первый уровень окна
The Biology Lab (Биологическая лаборатория) происходит при нажатии кнопки
 в нижнем левом углу окна 2 уровня. Аналогично создать и переименовать 4
копии вида второго исследуемого растения. Закрыть окно The Biology Lab
(Биологическая лаборатория) кнопкой в левом верхнем углу.
6.
Активизировать
окно
Map of World (Карта
мира),
нажать
кнопку Populate (Заселение). В появившемся окне выбрать первое из растений,
установить Number (счетчик семян) на 100, нажать кнопки Scattered
(Разбросать) On Land (На суше) и Make It So (Продолжить).
7.
Для индикации результатов эксперимента выбрать окно Population
(Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows (Окна) Главного меню.
В окне Population (Популяция) нажать кнопку All Plants (Все растения).
Вверху слева будет показана их численность.
8.
Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите
команду Ultra (Очень быстро). Через год программа остановится. В окне
Population (Популяция) прочесть число взошедших из 100 засеянных семян и
вычислить всхожесть при данном уровне мутагенов. Записать в отчет.
9.
Сбросить счетчик времени на 0, выбрав в меню Simulation
(Моделирование), команду Technical (Технический), а затем – Set Time to 0
(Установить время на 0). Установить Run Control (Автоматическую паузу) на 5
лет и нажать Make It So (Продолжить). Записывать в отчет изменение
численности популяции каждые 5 лет, пока прирост численности будет более
1% (примерно 10 измерений). По окончании измерений уничтожить заселенный
вид. Для этого следует нажать, кнопку Populate (Заселение) на пульте
управления (рис.3), установить счетчик семян на 999, нажать кнопки Kill of
(Уничтожить) и Make It So (Продолжить). Выполнять уничтожение, пока не
появится сообщение об уничтожении вида.
10. Построить график зависимости численности популяции х от
времени t. На Карте мира подсчитать число знаков мутагенов и подписать его
на построенном графике. В окне Редактирование нажать кнопку Add/remove
mutagens (добавить/удалить мутагены) (рис. 3) и снизить их содержание до 20.
Повторить действия 6-10 для первой копии первого вида растения.
11. Построить график зависимости численности популяции х от
времени t для числа знаков мутагена, равного 10, 5 и 0, исследуя 2, 3 и 4 копии
1 вида.
12. Построить графики зависимости всхожести семян растения 1 вида
от величины мутагенного воздействия. Построить зависимость емкости
экологической ниши (максимально возможного числа растений) от величины
мутагенного
воздействия.
Первый
график
характеризует
конкурентоспособность организма, второй – уровень его приспособляемости к
неблагоприятным условиям окружающей среды.
13. Выполнить 6-12 для 2 вида растений. Построить графики.
14. Провести сравнительный анализ двух видов растений:
а) какой из них существует в условиях стабилизирующего отбора?
б) как влияют мутагены на всхожесть семян?
в) приводит ли чрезмерное увеличение мутаций к расширению ареала
обитания вида?
г) как изменится взаимная конкурентная мощь двух видов растений при
росте мутагенных воздействий?
д) какое из растений победит в конкурентной борьбе?
Отчет предъявить преподавателю.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №2
ТРОФИЧЕСКИЕ ЦЕПИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПИРАМИДЫ
Разнообразие типов живых организмов устойчиво функционирующей
биосферы обеспечивает отсутствие в ней отходов. Все организмы, живые или
мертвые,
потенциально
являются
пищей
для
других
организмов.
Последовательность организмов, в которой каждый из них съедает или
разлагает другой, называется пищевой, или трофической цепью. Все
организмы,
пользующиеся
одним
типом
пищи,
находятся
на
одном
трофическом уровне. Так, все продуценты относятся к первому трофическому
уровню, а все первичные консументы, питающиеся продуцентами ко второму.
С каждым переходом с одного трофического уровня на другой в пределах
одной пищевой цепи совершается работа и в окружающую среду выделяется
тепловая энергия. Установлено, что в природе в среднем около 10% (точнее, от
5 до 19%) доступной химической энергии одного трофического уровня
трансформируется
в
доступную
химическую
энергию
в
организмах
следующего уровня (правило 10%). Оставшиеся 90% энергии используется для
поддержания жизнедеятельности организмов и теряется в виде тепла.
Химическую энергию, биомассу, численность живых организмов
каждого трофического уровня можно отобразить в виде прямоугольника с
площадью, пропорциональной численному значению каждого параметра.
Расположив друг над другом прямоугольники, соответствующие 1, 2, 3 и так
далее трофическим уровням, получим экологические пирамиды энергии,
численности или биомассы. В пирамидах энергии, согласно правилу 10%,
каждый
последующий
трофический
уровень
меньше
предыдущего.
В
пирамидах численности, как правило, также каждый трофический уровень
меньше предыдущего. Каждый трофический уровень одной пищевой цепи
содержит определенное количество биомассы. Изобразив каждый уровень в
виде прямоугольника с площадью, пропорциональной величине биомассы,
получим экологическую пирамиду биомасс. Для большинства наземных
экологических систем преобладает биомасса продуцентов, а суммарная масса
каждого последующего уровня меньше предыдущего. В водных экологических
системах пирамида биомасс выглядит перевернутой, поскольку биомасса
консументов
преобладает
над
биомассой
продуцентов.
Это
явление
объясняется тем, что в водных экосистемах продуцентом является быстро
растущий фитопланктон, а не медленно растущие водоросли.
Цель задания: Создание и исследование устойчивой экосистемы.
Определение
трофического
уровня,
построение
трофической
цепи
и
экологической пирамиды численности.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра
(рис.2), выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play
Scenario (Играть по сценарию).
2.
В окне World Design (Проект мира) установить следующие
параметры: World Size – Small (размер мира – малый); Toxins (токсины),
Mutagens (мутагены), Food Sources (источники пищи), Barriers (барьеры) – (0%);
Mountains (горы), Regional Weather Variation (изменчивость климата), World
Average Temp. (средняя температура), Rivers & Lakes (реки и озера) – 50%.
Затем нажать кнопку Make It So (Продолжить).
3.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), затем Change Physics (Изменить физику). В открывшемся окне
необходимо установить следующие параметры Lifespan - Medium (Длина жизни
– средняя); Day length – 8 ticks (Длина дня - 8 тактов), Year length – 16 days
(Длина года - 16 дней); Plant limit – 1/2 Maximum (число растений – не более
1/2); Mutation rate – tiny (Мутация малая), Animal Limit – 800 Maximum
(животные – не более 800), Movement Costs – Tiny (Цена движения –
крошечная) для всех видов движения, Food Value – Huge (Ценность пищи –
огромная) для всех видов пищи, Metabolism Costs (Цена обмена веществ),
Health Costs (Цена здоровья) и, Plant Costs (Цена растений) – Tiny (Крошечные),
Soil & Climate Change – 50% (Изменение почвы и климата – среднее) и нажать
кнопку Make It So (Продолжить).
Таблица 2-1. Варианты заселения экосистемы.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Продуценты
Balsam Fir (Пихта бальзамная), Cottonwood
(Тополь), Cranberry Bush (Клюква), Honeysuckle
(Жимолость), Maize (Маис), Onion (Лук).
Poplar (Осина), Rambling Rose (Вьющаяся роза),
Wheatgrass (Пырей), Willow (Ива), Bamboo
(Бамбук), Coconut (Кокос).
Alga (Водоросли), Kelp (Ламинария), Mangrove
(Манговое дерево), Water Lettuce (Водный салат).
Sagebrush
(Полынь),
Balsam
Fir
(Пихта
бальзамная), Cottonwood (Тополь), Fennel (Укроп),
Bamboo (Бамбук), Sphagnum Moss (Мох сфагнум).
Poplar (Осина), Rambling Rose (Вьющаяся роза),
Wheatgrass (Пырей), Giant Kapok (Капок дерево),
Coconut (Кокос).
Balsam Fir (Пихта бальзамная), Cranberry Bush
(Клюква), Honeysuckle (Жимолость), Lichen
(Лишайник), Maize (Маис), Onion (Лук).
Poplar (Осина), Cottonwood (Тополь), Rambling
Rose (Вьющаяся роза), Willow (Ива), Wheatgrass
(Пырей), Coconut (Кокос).
Bamboo (Бамбук), Rambling Rose (Вьющаяся роза),
Wheatgrass (Пырей), Kelp (Ламинария), Mangrove
(Манговое дерево).
Ostrich Fern (Оноклея), Palm (Пальма), Tree Fern
(Циатея древовидная), Sphagnum Moss (Мох
сфагнум), Rambling Rose (Вьющаяся роза).
Cranberry Bush (Клюква), Fennel (Укроп),
Honeysuckle (Жимолость), Lichen (Лишайник),
Maize (Маис), Onion (Лук).
Cottonwood (Тополь), Cranberry Bush (Клюква),
Fennel (Укроп), Honeysuckle (Жимолость), Lichen
(Лишайник), Maize (Маис), Onion (Лук).
Ostrich Fern (Оноклея), Tree Fern (Циатея
древовидная), Palm (Пальма), Mangrove (Манговое
дерево), Kelp (Ламинария).
Red Clover (Луговой Клевер), Wheatgrass (Пырей),
Willow (Ива), Bamboo (Бамбук), Coconut (Кокос),
Giant Kapok (Капок дерево).
Willow (Ива), Bamboo (Бамбук), Giant Kapok
(Капок дерево), Sphagnum Moss (Мох сфагнум),
Tree Fern (Циатея древовидная).
4.
Консументы
Black Widow (Черная вдова), Squirrel (Белка),
Orgot (Пегас), Peccary (Пекари), Falcon (Сокол).
Camel (Верблюд), Squirrel (Белка), Roach
(Таракан), Dogs of War (Собака войны), Killer
Penguin (Пингвин), Peacock (Павлин).
Squirrel (Белка), Trilobite (Трилобит), Heptapod
(Гептапод), Rock Lobster (Лангуст), Sea Urchin
(Морской еж), Giant Octopus (Гигантский спрут).
Camel (Верблюд), Fruit Bat (Крылан), Squirrel
(Белка), Orgot (Пегас), Peccary (Пекари), Water
Snake (Уж).
Black Widow (Черная вдова), Squirrel (Белка),
Roach (Таракан), Gazelle (Газель), Orgot (Пегас),
Dogs of War (Собака войны).
Black Widow (Черная вдова), Squirrel (Белка),
Roach (Таракан), Lucia’s Llama (Лама Люции),
Orgot (Пегас), Peccary (Пекари).
Bee (Пчела), Squirrel (Белка), Roach (Таракан),
Lucia’s Llama (Лама Люции), Orgot (Пегас),
Pellican (Пеликан).
Camel (Верблюд), Bee (Пчела), Squirrel (Белка),
Roach (Таракан), Orgot (Пегас), Trilobite
(Трилобит).
Bee (Пчела), Squirrel (Белка), Roach (Таракан),
Orgot (Пегас), Gazelle (Газель), Water Snake (Уж).
Elephant (Слон), Camel (Верблюд), Bee (Пчела),
Squirrel (Белка), Lucia’s Llama (Лама Люции),
Orgot (Пегас).
Squirrel (Белка), Roach (Таракан), Lucia’s Llama
(Лама Люции), Dogs of War (Собака войны), Orgot
(Пегас), Peccary (Пекари).
Squirrel (Белка), Orgot (Пегас), Gazelle (Газель),
Trilobite (Трилобит), Rock Lobster (Лангуст), Shark
(Акула).
Elephant (Слон), Camel (Верблюд), Squirrel (Белка),
Roach (Таракан), Heptapod (Гептапод), Giant
Octopus (Гигантский спрут).
Camel (Верблюд), Squirrel (Белка), Lucia’s Llama
(Лама Люции), Dogs of War (Собака войны), Orgot
(Пегас), Desert Snake (Кобра).
Составить трофическую цепь, руководствуясь номером варианта из
таблицы 2-1.
Проанализировать организмы, входящие в номер варианта, с точки
зрения жизнеспособности, исключить нежизнеспособные (например, пчелу при
отсутствии имеющих нектар растений). Анализ провести с помощью окна The
Biology Lab (Биологическая лаборатория). Уточненная трофическая цепь
должна содержать не менее 1 вида организмов на каждом из 3 трофических
уровней. Определить предполагаемую численность популяций организмов из
расчета: число организмов на каждом последующем трофическом уровне
должно быть в 7-20 раз меньше.
5.
Спроектированная вами экологическая система должна быть
заселена. Начать следует с заселения растений и животных, питающихся
фильтруемой
пищей
(трофические
уровни
1
и
2).
Затем
заселить
растительноядных животных (трофический уровень 2). В конце заселить
хищников (трофический уровень 3). Поскольку требуется время для
произрастания организмов на предыдущем трофическом уровне, заселение
уровней нужно проводить последовательно, начиная с 1, через определенные
промежутки времени. Для засева растений нажать кнопку Populate (Заселение)
на пульте управления (рис.3). В активизированном окне нажать кнопку Selected
Species (Выбранные виды), передвинуть курсор мыши на требуемое растение.
Картинки растений с их названиями представлены на рис.7. Установить Number
(Счетчик семян) на требуемую величину (300). Выбрать Scattered (Разбросать)
On Land (На суше) или In Water (В воде). Нажать кнопку Make It So
(Продолжить).
6.
Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите
команду Ultra (Очень быстро). Для контроля численности заселенных
организмов выбрать окно Population (Популяция) командой Census (Учет) в
меню Windows (Окна) Главного меню.
7.
Если общая численность организмов 1 трофического уровня
остается постоянной в течение 2 лет (приблизительно 50% от расчетного
значения), можно заселить травоядных животных.
8.
Если общая численность животных на 2 трофическом уровне не
меняется в течение 2 лет, популяцию можно считать устойчивой и заселить
хищников.
9.
При сохранении общей численности особей всех 3 уровней в
течении 2 лет постоянной экосистему можно считать устойчивой и остановить
эксперимент кнопкой Pause (Пауза).
10. Переписать численность организмов каждого трофического уровня
из окна Populate (Заселение), построить трофическую цепь с указанием
численности каждого уровня, построить в масштабе пирамиду численности.
Отчет предъявить преподавателю.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №3
ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦЙ
Популяции
живых
организмов по-разному реагируют
на
такие
изменения условий окружающей среды, как увеличение или уменьшение
количества пищи, питательных веществ почвы, температура и влажность
окружающей среды (воздуха), увеличение или уменьшение территории
обитания. Изменения в размерах, структуре или распределении популяций в
соответствии с изменением условий окружающей среды называются динамикой
популяций.
Одним из условий устойчивого существования популяции является
превышение числа рожденных за единицу времени организмов К над числом
умерших организмов D. Если учитывать только данные факторы, то
зависимость численности популяции х от времени t описывается следующим
уравнением:
dx
  K  D  x
dt
(1),
которое имеет решение:
x  x0 exp   K  D   t 
(2),
где x0 – начальная численность популяции при t = 0.
Из
решения
видно,
что
при
положительных
значениях
(К-D)
численность популяции со временем будет неограниченно возрастать. В
действительности такого не происходит, следовательно формула (1) описывает
динамику численности популяции с недостаточной точностью.
Для построения более точной математической модели динамики
численности
популяции
необходимо
учесть
следующие
экологические
факторы:
1.
Факторы, влияющие на рождаемость.
а) соотношение выжившего потомства к числу родителей в конце
периода размножения. Например, калифорнийские кондоры откладывают
только одно яйцо, что делает их более уязвимыми к вымиранию по сравнению с
такими видами, как утки, высиживающие от 8 до 15 яиц;
б) периодичность и продолжительность полного цикла размножения.
Например, слон может рожать 1 детеныша в 2.5 года, а мышь луговая полевка –
около десятка детенышей раз в 20-30 дней;
в) плотность популяции. Когда число особей популяции на единицу
площади падает ниже определенного уровня,
рождаемость падает из-за
трудностей, возникающих при поиске партнера. Аналогичная картина
возникает,
если
плотность
популяции
становится
слишком
высокой,
рождаемость также падает из-за трудностей в обеспечении пищей. Таким
образом, плотность популяции поддерживается на одном и том же уровне.
2.
Факторы, влияющие на смертность.
а) возрастная структура популяции. При построении математической
модели необходимо разделять число особей, доживших до репродуктивного
возраста, и число особей, погибших ранее;
б) межвидовая конкуренция из-за пищи или других ресурсов;
в) внутривидовая конкуренция в случае скудных ресурсов;
г) поедание особей хищниками, паразитами;
д) гибель от болезней;
е) смертность из-за ухудшения среды обитания вследствие природных
катаклизмов и человеческой деятельности.
С учетом изложенных факторов для составления математической
модели динамики численности популяции имеем:
- характерную для данного вида зависимость рождаемости от
плотности популяции К(х/N);
- максимально возможную для данных пищевых и территориальных
ресурсов
численность
популяции
N(t),
которая
зависит
от
изменяющихся во времени состояния среды обитания и численности
конкурентов y(t) данной популяции на место в ее экологической
нише;
- время достижения особью репродуктивного возраста  ;
- зависимость смертности от изменяющихся во времени состояния
среды обитания, численности конкурентов по экологической нише
y(t), численности хищников z(t), внутривидовой конкуренции за
скудные ресурсы: D  z  t  , y  t  , x t  , t  .
Вводя данные зависимости в (1) и, переходя от дискретного процесса
динамики численности к непрерывному, получим:
dx  t 
 x t  x t    
 K
,
   N t   x t   y t   x t    
dt
N
N
(3).


 D  z t  , y t  , x t  , t   x t   
Использование выражения (3) для анализа динамики численности
популяции достаточно сложно и требует наличия большого количества
экспериментального материала, позволяющего корректно построить данную
математическую модель. Поэтому в данной работе при построении модели
динамики численности популяции из перечисленных факторов учтем только 2в,
т.е.
примем
условия
окружающей
среды
неизменными,
рождаемость
независимой от плотности популяции, отсутствие межвидовой конкуренции и
хищников. В этом случае динамика численности популяции будет описываться
следующим дифференциальным уравнением первого порядка:
dx
 Kx  N  x   Dx (4).
dt
Данное уравнение решается непосредственным интегрированием и
имеет общее решение вида:
x

N  D K

1  C exp tK  N  D 

K

,
где постоянная интегрирования С зависит от начальной численности популяции
x0 .
C
N D
 x0
K
x0
.
Окончательное решение уравнения (4) записывается в виде:
x t  
N D


K
  N D x

0
K
1  
 exp tK N  D
x
K
 
0 



 





(5),
называется логистической кривой и имеет график, представленный на рисунке
3-1.
x(t)
N-D/K
K2
K1
x0
t
Рис. 3-1. Логистические кривые при различных значениях
рождаемости (К2 > К1).
Введенные при получении логистической кривой ограничения наиболее
типичны
для
экологической
самоопыляющихся
растений
системы,
при
содержащей
полном
одну
популяцию
отсутствии
животных.
Проанализируем графики рис.3-1 применительно к популяции растений.
Очевидно, что рост их
численности
ограничивается
площадью
пригодных для их обитания земель. Эти площади могут снижаться при засеве
растениями-конкурентами других видов. При отсутствии конкурентов величина
(N-D/К) характеризует количество площадей с условиями окружающей среды,
пригодными для существования особей рассматриваемой популяции.
Цель задания: Исследование динамики численности популяций
растений.
Построение
логистической
кривой
зависимости
численности
популяций от времени. Определение величин х0, N-D/К, К для популяции из
графиков.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу, в окне Новая игра, выбрать Experimental
Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play Scenario (Играть по
сценарию). В окне World Design (Проект мира) установить следующие
параметры: World Size – Tiny (размер мира – малый); Toxins (токсины),
Mutagens (мутагены), Food Sources (источники пищи), Barriers (барьеры)
установить на минимум; Mountains (горы), Regional Weather Variation
(изменчивость климата), World Average Temp. (средняя температура) – 50%,
Rivers & Lakes (реки и озера) – 75%. Затем нажать кнопку Make It So
(Продолжить).
Таблица 3-1.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Willow
(Ива)
Maize
(Маис)
Cottonwood
(Тополь)
Cranberry
(Клюква)
Poplar
(Осина)
Kapok
(Капок)
Sphagnum
(Сфагнум)
Ostrich
Fern
(Оноклея)















2.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), а затем Run Control (Автоматическая пауза). Установить
счетчик на 1 год, что достаточно для всхода засеянных растений. Затем нажать
кнопку Make It So (Продолжить). Далее в меню Simulation (Моделирование),
выбрать команду Technical (Технический), затем Change Physics (Изменить
физику). В открывшемся окне необходимо установить следующие параметры
Lifespan - brief (Длина жизни – кратчайшая); Day length – 8 ticks (Длина дня - 8
тактов), Year length – 16 days (Длина года - 16 дней); Plant limit – unlimited
(число растений – неограниченно); Mutation rate – tiny (Мутация малая) и
нажать кнопку Make It So (Продолжить).
3.
В окне Map of World (Карта мира) нажать кнопку Populate
(Заселение) (рис.3). В появившемся окне нажать кнопку Selected Species
(Выбранные виды) и выбрать один вид растений согласно таблице 3-1.
Установить Number (Счетчик семян) на 300. Кнопкой What to Do (Что делать)
выберите Scattered (Разбросать), кнопкой Where (Где) – On Land (На суше).
Выбрав и установив все необходимые параметры, нажмите кнопку Make It So
(Продолжить).
4.
Индикация хода и результатов эксперимента осуществляется
выбором окна Population (Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows
(Окна) Главного меню. В окне Population (Популяция) следует нажать кнопку
All Plants (Все растения) для того, чтобы наблюдать численность популяции
выбранного вида.
5.
Запустить время кнопкой Pause (Пауза) (рис.5). Чтобы ускорить
процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите команду Ultra
(Очень быстро). Через 1 год компьютерного времени ход жизни автоматически
остановится и появится сообщение об этом. Чтобы избавится от сообщения,
нажмите кнопку Enter. Указанная в окне Population (Популяция) численность
растений принимается за начальное значение х0.
6.
Установить компьютерное время на 0, выбрав в меню Simulation
(Моделирование), команду Technical (Технический), а затем – Set Time to 0
(Установить время на 0). Установить Run Control (Автоматическую паузу) на 5
лет.
7.
Запустить программу на выполнение кнопкой Pause (Пауза). По
истечении заданного срока записать в таблицу отчета полученное значение
численности и время.
8.
Если полученное значение численности растений превышает
предыдущее, то следует повторить 7. В противном случае полученное значение
численности принимается за числовое значение параметра (N-D/К) из (4).
9.
По полученной таблице значений численности в зависимости от
времени построить график.
10. Из графика определить время t1, через которое численность
популяции достигает значения х1=(N-D/К-х0)/2. Зная числовые значения х0, (N D/К), х1, t1, вычислить рождаемость К из (4).
11. Завершить программу, для чего в меню File (Файл) выбрать
команду Quit (Выход). В сообщении о сохранении нажать кнопку No (Не
сохранять).
Представить
письменный
рассчитанные величины и выводы.
отчет,
включающий
графики,
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №4
ПРИНЦИП КОНКУРЕНТНОГО ИСКЛЮЧЕНИЯ ГАУЗЕ
Данная лабораторная работа является продолжением практического
задания №3.
По полученным графикам динамики численности популяций можно
сделать выводы о поведении растений в межвидовой конкуренции. При этом
виды растений с большими значениями (N-D/K) приспособлены к обитанию в
достаточно
суровых
условиях,
а
виды,
имеющие
большие
значения
рождаемости К, способны к быстрому захвату пустующих территорий.
При сравнении двух совместно обитающих популяций растений
возможны следующие виды исхода конкурентной борьбы:
1. При N2-D2/К2>N1-D1/К1, К2>К1 второе из растений, называемое
виолентом, вытесняет первое и долго удерживает захваченную территорию.
Виоленты обладают высокой способностью к конкуренции. Примерами
виолентов в Сибири являются кедр, пихта, ель, которые легко вытесняют
другие растения, более светолюбивые, затеняя их мощными кронами.
2. При N2-D2/К2>N1-D1/К1, К2<К1 второе из растений называется
патиентом. Его стратегия в межвидовой борьбе основана на способности
существовать в суровых условиях, малопригодных для жизни других растений,
и избегать конкурентной борьбы. Примерами патиентов в Сибири являются
растения верховых болот – морошка, клюква, багульник.
3.
N2-D2/К2<N1-D1/К1,
К2>К1
второе
из
растений
называют
эксплерентом. Оно имеет низкую конкурентную способность, но при большой
продукции семян может быстро захватывать освобождающиеся территории.
Поскольку легко вытесняется виолентами, то является кочевым. Примерами
эксплерентов являются береза, иван-чай, сорняки.
Ход межвидовой конкурентной борьбы между растениями можно
представить в виде системы дифференциальных уравнений:
dx1
 K1 x1  N1  x1  x2   D1 x1
dt
(1)
dx2
 K 2 x2  N 2  x1  x2   D2 x2
dt
Это
система
дифференциальных
уравнений
первого
порядка
с
нелинейной правой частью, которая решается численными методами. Решение
(1) для случая вытеснения, когда одно из растений является виолентом,
представлено на рис.4-1.
х(t)
N2-D2/K2
х2
х1
t
0
Рис. 4-1. Зависимость численностей популяций растений х1 и х2 от времени
(популяция х2 – виоленты).
Цель задания: Исследование конкурентного вытеснения (принципа
Гаузе) для популяций растений. Построение графика зависимости численности
от времени.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра
(рис.2), выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play
Scenario (Играть по сценарию). Вызвать окно World Design (Проект мира) с
помощью кнопки Build World (Cоздание мира) на пульте управления окна карта
мира. В этом окне установить следующие параметры: World Size – Small
(размер мира – малый); отсутствие в мире (0%) Toxins (токсинов), Mutagens
(мутагенов), Food Sources (источников пищи), Barriers (барьеров); Mountains
(горы), Regional Weather Variation (изменчивость климата), World Average
Temp. (средняя температура) – 50%; Rivers & Lakes (реки и озера) – 75%. Затем
нажать кнопку Make It So (Продолжить).
2.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), а затем Run Control (Автоматическая пауза). Установить
счетчик на 1 год, что достаточно для всхода засеянных растений. Затем нажать
кнопку Make It So (Продолжить). Далее в меню Simulation (Моделирование),
выбрать команду Technical (Технический), затем Change Physics (Изменить
физику). В открывшемся окне необходимо установить следующие параметры
Lifespan - brief (Длина жизни – кратчайшая); Day length – 8 ticks (Длина дня - 8
тактов), Year length – 16 days (Длина года - 16 дней); Plant limit – unlimited
(число растений – неограниченно); Mutation rate – tiny (Мутация малая) и
нажать кнопку Make It So (Продолжить).
3.
По указанию преподавателя выбрать вариант заселения из таблицы
4-1. В окне Map of World (Карта мира) нажать кнопку Populate (Заселение)
(рис.3). В появившемся окне выбрать первое из растений соответствующее
вашему варианту. Установить Number (Счетчик семян) на 300. Нажать кнопки
Scattered (Разбросать), On Land (На суше). Далее нажать кнопку Make It So
(Продолжить). Вторично нажать кнопку Populate (Заселение) в окне Map of
World (Карта мира). Затем выбрать второе растение и нажать Make It So
(Продолжить) при тех же параметрах.
4.
Индикация хода и результатов эксперимента осуществляется
выбором окна Population (Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows
(Окна) Главного меню. В окне Population (Популяция) следует нажать кнопку
All Plants (Все растения) для того, чтобы наблюдать численность популяции
выбранного вида.
5.
Запустить программу на выполнение кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите
команду Ultra (Очень быстро). Через 1 год компьютерного времени ход жизни
автоматически остановится и появится сообщение об этом. Чтобы избавится от
сообщения, нажмите кнопку Enter. В окне Population (Популяция) считать
начальные численности популяций растений и записать в таблицу отчета.
Таблица 4-1. Варианты заселения.
№
Willow
(Ива)
Maize
(Маис)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15



Cottonwood
(Тополь)
Cranberry
(Клюква)
Poplar
(Осина)
Kapok
(Капок)
Sphagnum
(Сфагнум)

























6.
Ostrich
Fern
(Оноклея)


Сбросить счетчик времени на 0, выбрав в меню Simulation
(Моделирование), команду Technical (Технический), а затем – Set Time to 0
(Установить время на 0). Установить Run Control (Автоматическую паузу) на 5
лет и нажать Make It So (Продолжить).
7.
Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза). Каждые
5 лет записывать данные о численности популяций в таблицу. В таблице отчета
должно быть 10 значений численности одной популяции.
8.
Построить графики зависимости численности обеих популяций от
времени по данным таблицы (10 точек). Проанализировать конкурентные
отношения двух популяций растений, сделать выводы о том, какое растение
является виолентом. Отчет и предъявить преподавателю.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №5
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИЙ
Структура популяции проявляется в определенном количественном
соотношении особей разного возраста, пола, генотипа. Внутри популяции
можно выделить более мелкие подразделения: колонии, стада, стаи, парцеллы
(близко расположенные группы растений одного вида), семьи. Понятие семьи
предполагает разделение особей по половым признакам. Существующие в
живой природе процессы, механизмы и структуры, связанные с полом,
чрезвычайно разнообразны и сложны. Высокоорганизованные животные чаще
делятся на два пола. Причем для большинства видов количество мужских и
женских особей одинаково, что можно объяснить следующим образом.
Допустим, у некоторого вида генетически заложено рождение 90% самцов и
10%
самок.
При
спаривании
двух
разнополых
особей
у
потомства
закладываются гены, обеспечивающие рождение самок в количестве, равном
среднему арифметическому соответствующих значений самца и самки плюсминус
некоторые
мутационные
изменения.
Количество
спариваний
пропорционально числу встреч разнополых особей и может быть описано
выражением:
М   Nm  N  Nm 
(1);
где  – коэффициент пропорциональности, Nm – число особей мужского
пола, N – общее число особей в популяции. Найдем значение Nm, при котором
количество спариваний М максимально. Для этого нужно взять производную от
(1) по Nm и приравнять ее к нулю. Получим число мужских особей:
Nm 
N
2
(2).
Итак, число самцов равно числу самок. Поэтому всегда имеется
тенденция к выравниванию численности мужских и женских особей. При
рассмотрении половых структур популяций следует иметь в виду, что
некоторые организмы могут иметь более 2 полов. Например, хламидомонады
имеют 7 полов.
Важной характеристикой популяции является ее деление по возрастному
признаку. Возрастная структура популяции зависит от продолжительности
жизни составляющих ее особей. Рассмотрим возможные варианты. Для
простоты будем считать, что в процессе рождения и смерти особей численность
популяции остается неизменной. В простейшем случае у популяции
отсутствуют лимитирующие факторы и гибель особей происходит только от
старости при достижении ими биологического возрастного предела Т. При этом
доля смертей S особей популяции в зависимости от их возраста t описывается
выражением:
S1  t  
d1  t  T 
/T
dt
(3);
где 1(t) = 0 при t < 0; 1(t) = 1/2 при t = 0; 1(t) = 1 при t > 0. Учитывая,
что к возрасту Т все особи должны умереть, доля смертей S подчиняется
условию:
T
 S  t dt  1
(4).
0
Возрастная структура популяции, или доля особей, доживших до
возраста t, определяется условием:
T
N  t   1   S  t  dt
(5).
0
Для нашего простейшего случая:
N1  t   1  1 t  T  / T (6).
Функции S1(t) и N1(t) изображены графиками 1 на рис.4-1 и 4-2
соответственно. В случае гибели организмов от случайных различных причин,
когда смертность не зависит от возраста, графики смертей S и численности N
особей популяции имеют вид прямых 2 (рис.5-1 и 5-2 соответственно). В
реальной жизни наиболее уязвимы для лимитирующих факторов молодые и
старые организмы, что находит отражение в форме кривых 3 рис.5-1 и 5-2.
S
1
3
2
1/Т
0
Т
t
Рис. 5-1. Зависимость доли смертей S особей популяции от их возраста t.
N
1
2
3
0
T
t
Рис.5-2. Зависимость доли численности N особей популяции от их возраста t.
Причем для особей, не заботящихся о своем потомстве (растений, рыб,
насекомых и т.д.), характерна высокая плодовитость. При этом возрастная
структура популяции представлена кривой 1 на рис.5-3.
N
1
3
2
1
T
t
Рис. 5-3. Кривые выживания для: 1 – растений, рыб, насекомых; 2 –
травоядных, мелких хищников; 3 – крупных млекопитающих и человека.
У более высокоорганизованных видов снижается смертность молодняка
и
особей
зрелого
возраста,
уменьшается
плодовитость,
растет
продолжительность жизни. Для таких видов, как это видно из кривой 2 рис.5-3,
возрастная структура популяции более равномерна, а кривая зависимости числа
особей от их возраста имеет большие числовые значения. Для человека кривая
3 рис.5-3 выпуклая. Кривые 1, 2, 3 называются кривыми выживания вида.
Кривые выживания индивидуальны для каждого вида растений или животных.
Предлагается провести компьютерный эксперимент, при котором мир засеян
кукурузой и в нем обитает питающееся ею животное рок-самец. У них на
генетическом уровне заложено 90% рождения самок.
Цель задания: Исследование половой и возрастной структуры
популяций. Компьютерное моделирование структуры популяций животных и
растений. Построение графиков, определение констант.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра
(рис.2), выбрать Battle of the Sexes (Битва полов) и нажать кнопку Play Scenario
(Играть по сценарию).
2.
Установить автоматическую остановку программы через 50 лет.
Для этого в меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), а затем Run Control (Автоматическая пауза). Установить
счетчик в окне Pause simulation (Моделирование паузы) на 50, затем нажать
кнопки Years (Годы) и Make It So (Продолжить).
3.
Для получения аналитической информации в меню Windows (Окна)
Главного меню выбрать команду Census (Учет), затем Graphs (Диаграммы).
Окно Graphs (Диаграммы) позволяет выводить одновременно 4 графика,
характеризующих данную популяцию. В верхней правой части окна выбрать
красным цветом популяцию Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и характеристику
Females % (Жен. пол %); зеленым цветом – Dog-Cow of Doom (Рок-самец), Age
% of Max (Возраст % от максимума); синим – Super Corn (Кукуруза), Age % of
Max (Возраст % от максимума). В левой части окна под заголовком Time Scale
(Масштаб времени) 50 нажать кнопку Years (Годы).
4.
Запустить программу на выполнение кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Через заданное время выполнение программы остановится и появится
сообщение о причине остановки. Нужно нажать клавишу Enter.
5.
Определить половую структуру популяции. Для этого по графику
красного цвета окна Graphs (Диаграммы) с интервалом 10 лет определить 6
значений процентного содержания особей женского пола внутри популяции
Dog-Cow of Doom (Рок-самец). Вычислить среднее значение данной величины
за 50 лет. Перерисовать из окна Graphs (Диаграммы) график процентного
содержания особей женского пола за 50 лет.
6.
Определить возрастную структуру популяции. Для этого за
последние 5 лет по графикам зеленого и синего цветов вычислить средний
возраст популяций Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и Super Corn (Кукуруза).
В общем случае доля S смертей особей в зависимости от времени t
может быть аппроксимирована полиномом второй степени:
S  t   C1  t  C2T   C3 (7),
2
где С1 определяет долю смертей по причинам, зависящим от возраста; С2
определяет возраст наибольшего расцвета сил (наименьшей смертности); С3
определяет долю смертей по причинам, не зависящим от возраста. Используя
(6), определим средний возраст особей:
T
 C1 C1C2 C1C22  4 C3T
1
B   N T dt   

(8).
T 
T0
3
2 
2
 12
Для нахождения величины С3 нужно иметь информацию о причине
гибели животных. Получить данную информацию можно, выбрав в меню
Windows (Окна) команду Census (Учет), и затем Mortality (Смертность). В
данном окне приведены гистограммы шести причин гибели выбранного
организма за 5 лет с интервалом в 1 год. Для растений величина С3
определяется выражением:
C3   Д1  Д 2  / 500% (9).
Для животных при отсутствии хищников:
C3   Д1  Д3  / 500% (10),
где Д1, Д2, Д3 – суммы пяти столбиков, выраженные в процентах, доли
организмов, погибших от случайных причин, съеденных и умерших от
болезней соответственно. После определения С3 будем иметь два неизвестных –
С1 и С2. Воспользуемся (4) и (7). В результате получим:
С1 
1  С3T 
1  С3T 
(11).
Подставив (11) в (8), получим:

C T2
C T2
C22  B  3
T  3
2
2
2



C3T 2
C3T 2
T

C
B



2

2
3
3





B
C3T 2
C3T 2 
T




 0 (12).
6
12
12 
 3
Приняв биологический возрастной предел Т = 2В из (12) с учетом (9) и
(10) найдем С2, а затем из (11) – С3. По результатам расчетов для популяций
Dog-Cow of Doom (Рок-самец) и Super Corn (Кукуруза) построить графики
зависимости доли численности N особей от их возраста t. Результаты
экспериментов, расчетов, графики и выводы о половой и возрастной структуре
популяций представить в виде письменного отчета.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №6
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ КРИВЫЕ
Для жизнедеятельности любого организма необходим определенный
набор экологических факторов, имеющих численные значения в требуемом
диапазоне. Рассмотрим воздействие какого-либо фактора на организм. В
качестве организма удобнее выбрать растение и работать с фактором
увлажнение из-за легкости его дозировки. Для эксперимента возьмем несколько
популяций растений одного вида и поместим их в одинаковые природные
условия, но обеспечим разными количествами влаги. При этом напряженность
экологического фактора будет возрастать от сухости до переувлажнения. О
комфортности жизни популяции можно судить по изменению ее численности.
Этот опыт необходимо провести на протяжении жизни нескольких поколений
организмов.
Результаты эксперимента в виде зависимости числа особей популяции
Число особей популяции
от интенсивности полива растений изображены на графике (рис.6-1).
60
50
40
30
20
10
0
0
12
25
37
50
62
75
87
100
Влажность, %
Рис. 6-1 Экологическая кривая
Таким образом, получим экологическую кривую. Ее можно разбить на
несколько зон. Нейтральная часть кривой соответствует наибольшему числу
особей популяции. По-видимому, влажность была наиболее благоприятной для
данной
популяции. Этот отрезок экологической кривой называют зоной
оптимума. По обе стороны от зоны оптимума растения чувствуют себя намного
хуже, но еще достаточно хорошо для нормального развития. Эти отрезки
экологической кривой называют зонами нормы. И, наконец, крайние отрезки
экологической кривой соответствуют угнетенному состоянию растений. При
таких засушливых или переувлажненных условиях растения не могут
нормально
развиваться.
Отрезки
экологической
кривой,
говорящие
о
неблагоприятных для организма значениях экологического фактора, называют
пессимумами.
Также
распространен
термин
пессимальные
значения
экологического фактора. Аналогичные экологические кривые можно построить
для любого экологического фактора. Причем в реальной жизни форма кривой,
представленной на рисунке 5-1, часто не соблюдается: один или оба пессимума
могут отсутствовать, кривая может иметь два оптимума и так далее. Например,
сосна наиболее часто растет либо на сухих и бедных песчаных почвах, либо на
верховых болотах. Ее отсутствие в наиболее благоприятных условиях
объясняется вытеснением путем затемнения данного вида другими растениями,
то есть межвидовой конкуренцией.
Цель
задания:
Исследование
влияния
экологического
фактора
влажности на численность популяции растений. Компьютерное моделирование
закона Либиха-Шелфорда. Построение графиков и определение величин
толерантности, зон оптимума и пессимума из графиков.
Таблица 6-1.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Fennel
(Укроп)

Lichen
(Лишайник)
Maize
(Маис)


Wheatgrass
(Пырей)
Willow
(Ива)
Cottonwood
(Тополь)



Sagebrush
(Полынь)
























Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь в окне Новая игра
(рис.2), выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play
Scenario (Играть по сценарию). После появления окна Map of World (Карта
мира) и завершения создания мира при необходимости остановить время в мире
кнопкой Pause (Пауза) (рис.6).
2.
Вызвать окно World Design (Проект мира) с помощью кнопки Build
World (Cоздание мира) на пульте управления окна карта мира. В этом окне
установить следующие параметры: World Size – Small (размер мира – малый);
отсутствие в мире (0%) Toxins (токсинов), Mutagens (мутагенов), Food Sources
(источников пищи),
Barriers
(барьеров);
Mountains
(горы)
-
25% от
максимальной величины; средние значения (50%) Regional Weather Variation
(изменчивости климата), World Average Temp. (средней температуры), Rivers &
Lakes (рек и озер). Затем нажать кнопку Make It So (Продолжить).
3.
Активизировать окно The Climate Lab (Лаборатория климата) с
помощью кнопки пульта управления (рис.5). Движки Day Length Variation
(Длина дня), Rainfall Variation (Осадки), Temperature Variation (Температура),
регулирующие
амплитуду
колебаний
данных
экологических
факторов,
установить на средние значения, а их Peak (максимальные величины) – на
Summer (лето).
4.
Для обеспечения неизменности мира в ходе эксперимента
выключить генератор
бедствий
–
последняя
команда меню
Disasters
(Ббедствия). Исключение эволюции организмов достигается запрещением их
мутаций. Для этого следует выбрать в меню Simulation (Моделирование),
команду Technical (Технический), затем Change Physics (Изменить физику). В
открывшемся окне необходимо установить Mutation rate – zero (Мутацию на
ноль); Lifespan -
medium (Длина жизни – средняя); Plant limit – unlimited
(число растений – неограниченное); Day length – 32 ticks (Длину дня - 32 такта),
Year length – 16 days (Длину года - 16 дней). После этого установить
минимальные изменения Soil & Climate (почвы и климата) с помощью движков
и нажать кнопку Make It So (Продолжить).
5.
Фиксированное время эксперимента достигается при помощи Run
Control (Автоматическая пауза). Чтобы воспользоваться ею, необходимо
выбрать в меню Simulation (Моделирование), команду Technical (Технический),
затем – Run Control (Автоматическая пауза). В появившемся окне установить
число 5, затем нажать кнопки Years (Годы) и Make It So (Продолжить).
Выполнение программы будет останавливаться каждые 5 лет.
На
этом
подготовительная
работа
завершается
и
начинается
эксперимент.
6.
Для того чтобы изменить влажность в мире, необходимо нажать
кнопку Build World (Создание мира) на пульте управления (рис.3). В
активизированном окне World Design (Проект мира) установить минимальную
World Average Moisture (влажность) 0% и нажать кнопку Make It So
(Продолжить). На вопрос о сохранении изменений в файле ответить No (Нет).
7.
Произвести засев растений исследуемого вида (примеры вариантов
в таблице 5-1). Для этого необходимо нажать кнопку Populate (Заселение) на
пульте управления (рис.3). Нажать кнопку Selected Species (Выбранные виды),
передвинуть курсор мыши на требуемое растение. Картинки растений с их
названиями представлены на рис.7. Отпустив кнопку мыши, произведите выбор
растения. Установить Number (Счетчик семян) на 100. Кнопкой What to Do (Что
делать) выберите Scattered (Разбросать), кнопкой Where (Где) – On Land (На
суше). Выбрав и установив все необходимые параметры, нажмите кнопку Make
It So (Продолжить).
8.
Индикация хода и результатов эксперимента осуществляется
выбором окна Population (Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows
(Окна) Главного меню. В окне Population (Популяция) следует нажать кнопку
All Plants (Все растения) для того, чтобы наблюдать численность популяции
выбранного вида.
9.
Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите
команду Ultra (Очень быстро). Через 5 лет компьютерного времени ход жизни в
мире автоматически останавливается и появляется сообщение об этом. Чтобы
избавится от сообщения, нажмите кнопку Enter. Запишите себе в отчет
информацию о численности популяции растений. Закройте окно Population
(Популяция) кнопкой в его верхнем левом углу.
10. Измените влажность в мире на 20% с помощью действий,
описанных в пункте 6. Нажать кнопку Make It So (Продолжить). Если
влажность была установлена на 100%, следует перейти к выполнению пункта
11. На вопрос о сохранении ответить No (Нет), на предложение программы
уничтожить все живые организмы в мире ответить Yes (Да). Затем перейти к
выполнению пунктов 7, 8 и 9, пока влажность не станет равной 100%.
11. Если исследован только один вид растений, то для второго вида
выполнить все действия, начиная с пункта 6. Если исследованы оба вида, то для
завершения эксперимента и написания отчета необходимо выбрать в меню File
(Файл) команду Quit (Выход). Построить экологические кривые и произвести
их анализ. Отчет предъявить преподавателю.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ №7
ВЛИЯНИЕ ТОКСИНОВ НА ЖИВОТНЫХ
Правило фазовых реакций гласит, что малые концентрации токсинов
действуют на организм в направлении усиления функций, а более высокие
концентрации угнетают и приводят к смерти.
Рассмотрим воздействие токсинов на животный организм. Для
эксперимента возьмем несколько популяций жывотных одного вида и
поместим их в одинаковые природные условия, но обеспечим разными
концентрациями токсинов. О комфортности жизни популяции можно судить по
изменению ее численности. Этот опыт необходимо провести на протяжении
жизни нескольких поколений организмов.
Результаты эксперимента в виде зависимости числа особей популяции
от концентрации токсинов изображены на графике (рис.7-1).
Число особей популяции
400
350
300
250
200
150
100
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Токсины, %
Рис. 7-1 Зависимость числа особей популяции от концентрации токсинов
Это идеализированный вид кривой. В реальной жизни точки, по
которым строится зависимость имеют больший разброс.
Варианты заселения представлены в таблице 7-1.
Таблица 7-1.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Названия животных
Camel (Верблюд)
Squirrel (Белка)
Dragon (Дракон)
Horse (Лошадь)
Llucia’s Llama (Лама Люции)
Trilobite (Трилобит)
Moof (Муф)
Orgot (Пегас)
Gazelle (Газель)
Elephant (Слон)
Fruit-Bat (Крылан)
Bee (Пчела)
Roach (Таракан)
Fruit Beatle (Плодовый жучек)
Peacock (Павлин)
Названия растений
Willow (Ива)
Apple Tree (Яблоня)
Цель задания: Исследование воздействия концентрации токсинов на
животные организмы.
Порядок выполнения задания.
1.
Запустить программу Искусственная жизнь. В окне Новая игра
выбрать Experimental Mode (Режим эксперимента) и нажать кнопку Play
Scenario(Играть по сценарию).
2.
В окне World Design (Проект мира) установить параметры:
Mountains (горы), , Barriers (барьеры), Food Sources (источники пищи), Mutagens
(мутагены) – на минимум, Toxins (токсины) – на максимум, World Average
Temp. (средняя температура), Rivers & Lakes (реки и озера) и другие – 50%.
Установить World Size – Small (размер мира – малый). Нажать кнопку Make It
So (Продолжить).
3.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический), затем Change Physics (Изменить физику). В открывшемся окне
необходимо установить параметры Lifespan – Brief (Длина жизни –
кратчайшая); Day length – 8 ticks (Длина дня - 8 тактов), Year length – 16 days
(Длина года - 16 дней); Plant limit – Unlimited (число растений –
неограниченно); Mutation rate – medium (Мутация средняя), Animal limit –
Unlimited (число животных – неограниченно).
4.
В меню Simulation (Моделирование), выбрать команду Technical
(Технический) затем Run Control (Автоматическая пауза). В появившемся окне
установить число 1, затем нажать кнопки Years (Годы) и Make It So
(Продолжить).
5.
Эксперименты будем выполнять только с травоядными животными.
Чтобы им было чем питаться засеем мир растением. Активизировать
Map of World (Карта
мира),
нажать
окно
кнопку Populate (Заселение). В
появившемся окне выбрать растение, соответствующее Вашему варианту,
установить Number (счетчик семян) на 400, нажать кнопки Scattered
(Разбросать) On Land (На суше) и Make It So (Продолжить). Аналогично
заселить животных в количестве 50 штук.
6.
Для индикации результатов эксперимента выбрать окно Population
(Популяция) командой Census (Учет) в меню Windows (Окна) Главного меню.
В окне Population (Популяция) нажать кнопку All Animals (Все
Животные). Вверху слева будет показана их численность.
7.
Запустить выполнение программы кнопкой Pause (Пауза) (рис.5).
Чтобы ускорить процесс отсчета времени в меню Speed (Скорость) выберите
команду Ultra (Очень быстро). Через год программа остановится. В окне
Population (Популяция) подсчитать численность животных при максимальном
уровне токсинов. Записать в отчет.
8.
Для того чтобы изменить концентрацию токсинов в мире,
необходимо нажать кнопку Build World (Создание мира) на пульте управления
(рис.3). В активизированном окне World Design (Проект мира) установить
Toxins (токсины) на 90% и нажать кнопку Make It So (Продолжить). На вопрос
о сохранении изменений в файле ответить No (Нет). Выполнить действия 2-7.
Аналогично проделать эксперименты с 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20, 10 процентами
токсинов.
9.
Построить
график
зависимости
численности
концентрации токсинов. Отчет предъявить преподавателю.
популяции
от