问题探讨
我们的手上难免沾染细菌。细菌的繁殖速率很快,因而我们要常洗手。
假设在营养和生存空间没有限制的情况下,某种细菌每20min就通过分裂繁殖一次。
1.第n代细菌数量的计算公式是什么?
设细菌的初始数量为N0;
第一次分裂产生的细菌为第一代,数量为N0×2;
第n代的数量为N0×2n;
2.72h后,由一个细菌分裂产生的细菌数量是多少?
2216
3.在一个培养瓶中,细菌的数量会一直按照这个公式描述的趋势增长吗?
不会,因为培养瓶中的营养物质和空间是有限的
如果资源和生存空间没有限制,那么1个细菌繁殖n代之后的数量是多少?
你能否建立细菌种群数量变化的数学模型?
由此,可得Nn=___
2n
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}时间(min)
20
40
60
80
100
120
140
160
180
分裂次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
数量(个)
2
4
8
16
32
64
128
216
512
指数形式
21
22
23
24
25
26
27
28
29
能否绘制成曲线图呢?
研究实例—以“问题探讨”素材为例
细菌每20min分裂一次,怎样计算细菌繁殖n代后的数量?
资源和生存空间没有限制的条件下,细菌种群的增长不会受种群密度增加的影响
Nn=2n或绘制曲线图
N代表细菌数量,n表示第几代
观察、统计细菌数量,对自己所建立的模型进行检验或修正
观察研究对象,提出问题
提出合理的假设
根据实验数据,用适当的数学形式对事物的性质进行表达,即建立数学模型
通过进一步实验或观察等,对模型进行检验或修正
研究方法
一、建构种群增长模型的方法
用来描述一个____或它的____的_________;
1.数学模型概念
2.建构数学模型的方法(步骤)
系统
①观察研究对象,提出问题
性质
数学形式
②提出合理的假设
③根据实验数据,用适当的数学形式对事物的性质进行表达,即建立数学模型
④通过进一步实验或观察等,对模型进行检验或修正
3.数学模型的种类
①数学公式,如Nn=2n
②曲线图
思考:数学公式和曲线图各有什么优缺点?
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
优点
缺点
数学公式
曲线图
Nn=2n
精确
不直观
能直观地反映变化趋势
不精确
以上数学模型的建构假设是理想条件(资源和生存空间没有限制),在自然界中,有没有这种类型的增长呢?
1.种群数量增长迅猛,且呈无限增长趋势;
2.食物充足、缺少天敌;
3.不能,因为资源和空间是有限的;
由以上实例可得,自然界有类似细菌在理想条件下种群增长的形式,如果以时间为横坐标,种群数量为纵坐标,画出曲线来,曲线则大致呈“J”形,这种类型的种群增长称为“J”形增长。
二、种群的“J”形增长
1.模型假设
(1)条件:__________________________________
__________________________________
(2)数量变化:______________________________
______________________________
食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害(即无环境阻力)
种群的数量每年以一定的倍数增长,第二年的数量是第一年的λ倍
**注意,J形增长的λ为定值;
若λ不为定值,则说明种群数量变化非J形增长;
思考:哪些情况下可能出现这种条件?
实验室条件下、迁移入新环境(如物种入侵)
思考:生物迁入新环境一定会出现J形增长吗?
不一定
2.建立模型
(1)数学公式
t年后种群的数量为______________;
参数含义:
N0为______________;
t为______;
Nt表示________________;
λ表示_____________________________;
(2)曲线图
Nt=N0λt
该种群的起始数量
时间
t年后该种群的数量
该种群数量是前一年种群数量的倍数
*注意:
该曲线的起点不是原点;
思考:J形曲线对应的增长速率图像应该怎么画?
“J”形曲线
J形曲线的增长速率逐渐增大
了解——种群“J”型增长实例
凤眼莲(俗称水葫芦)原产于南美,1901年作为花卉引入中国。由于繁殖迅速,又几乎没有竞争对手和天敌,我国目前有184万吨。它对其生活的水面采取了野蛮的封锁策略,挡住阳光,导致水下植物得不到足够光照而死亡。
思考:
当λ=1时,种群数量如何变化?
当λ>1时,种群数量如何变化?
当λ<1时,种群数量如何变化?
当λ>1时,种群一定呈“J”形增长吗?
种群数量不变(相对稳定)
种群数量增长
种群数量下降
不一定;
只有λ>1且为定值时,种群增长才为“J”形增长;
现学现用:据图说出种群数量如何变化
1-4年,种群数量_______________
4-5年,种群数量_______________
5-9年,种群数量_______________
9-10年,种群数量______________
10-11年,种群数量_____________
11-13年,种群数量_____________
前9年,种群数量第_______年最高
9-13年,种群数量第______年最低
呈“J”形增长
增长
相对稳定
下降
下降
11-12下降,12-13增长
5
12
如果遇到资源、空间等方面的限制,种群还会呈“J”形增长吗?
如何验证?
不会
生态学家高斯曾经做过单独培养大草履虫的实验:在0.5ml培养液中放入5个大草履虫,然后每隔24h统计一次大草履虫的数量。经过反复实验,得出了下图所示的结果:
从图中可以看出,大草履虫的数量在第二天和第三天增长较快,第五天以后基本维持在375个左右
像这样,种群经过一定时间的增长后,数量__________,增长曲线呈_____形,这种类型的种群增长称为“S”形增长
趋于稳定
“S”
三、种群的“S”形增长
1.模型假设
条件:__________________________________
__________________________________
资源和空间有限,天敌的制约等
(即存在环境阻力)
2.建立模型
一定环境条件所能_____的种群最大数量称为___________,又称____
维持
环境容纳量
K值
思考:自然条件下,为什么种群增长到K值左右便会趋于稳定?
自然条件下,资源和空间总是有限的;
当种群密度增大时,种内竞争就会加剧,这就会使种群的出生率降低,死亡率升高。
当死亡率升高至与出生率相等时,种群的增长就会停止,有时会稳定在一定的水平(K值)。
种内竞争对种群数量起调节作用。
3.曲线图分析
ab段:
bc段:
cd段:
de段:
种群基数小,需要适应新环境,增长较缓慢
资源和空间丰富,出生率升高,种群数量增长迅速
资源和空间有限,种群密度增大,种内竞争加剧,出生率降低,死亡率升高,种群增长减缓
出生率等于死亡率,种群增长速率为0,故种群达到K值,且维持相对稳定
思考:S形曲线对应的增长速率图像应该怎么画?
S形曲线的增长速率先变大,在种群数量为K/2时达到最大,后逐渐减小,直至为零(K值)
“S”形曲线
*种群数量曲线不能从原点出发,增长速率曲线可以从原点出发;
思考:
1.种群数量到达K值后就不再变化了吗?
2.K值是不是种群数量的最大值?
3.同一种群的K值是固定不变的吗?
在K值上下波动,动态平衡
不是;
K值是种群在一定环境条件下所能维持的种群最大数量
不是;
食物减少和活动范围缩小等不利条件下,K值会变小;
食物充足和生存空间扩大等有利条件下,K值会增大;
4.K值和1/2K值的应用
(1)野生生物的保护
建立自然保护区,提供更宽广的生存空间,改善它们的栖息环境,减小环境阻力,从而提高环境容纳量,是保护它们的根本措施;
①从环境容纳量考虑:
②从1/2K值考虑:
(2)有害生物的防治
增大环境阻力,降低环境容纳量;
在种群增长刚开始(达到K/2之前)的时候就进行防治;
(绝对不能让种群数量增长到1/2K值)
例如可利用将食物储藏在安全处,断绝或减少食物来源,养殖或释放天敌等措施来降低老鼠的环境容纳量;
(3)资源的合理利用
捕鱼时,在刚超过1/2K时开始捕捞;
要使被捕种群的剩余量维持在1/2K附近;
目的*:以持续获得最大的捕捞量
现学现用:若下图表示对濒危动物和有害动物作出措施后,种群数量的不同变化:
A
B
___图为濒危动物,具体做法为_____________;
___图为有害动物,具体做法为_____________;
A
提高环境容纳量
B
降低环境容纳量
现学现用:假设某草原上散养的某种家畜种群呈“S”形增长,该种群的增长速率随种群数量的变化趋势如图所示:
若要持续尽可能多地收获该种家畜,则应在种群数量合适时开始捕获,应为____点对应的种群数量
丁
四、种群的“S”形增长和“J”形增长比较
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}
“J”形增长
“S”形增长
条件
模型
增长速率
有无K值
增长倍数
食物和空间条件充裕、气候适宜、没有敌害(即无环境阻力)
资源和空间有限,天敌的制约等(即存在环境阻力)
Nt=N0λt
增长速率逐渐增大
S形曲线的增长速率先变大,在种群数量为K/2时达到最大,后逐渐减小,直至为零(K值)
无
有
λ为大于1的定值
增长倍数大于1,不是定值
思考:
1.图中阴影部分表示什么?
2.环境阻力如何用自然选择学说内容解释?
3.“S”形曲线中,有一段时期近似于“J”形曲线,这一段是否等同于“J”形曲线?为什么?
环境阻力
生存斗争中被淘汰的个体数
不等同;
已经存在环境阻力;
自然界中种群的数量一定会稳定在K值附近吗?
对于大多数生物的种群来说,种群数量总是在波动中;
五、种群的波动
种群波动的影响
(1)处于波动中的种群,在某些特定条件下可能出现________;如_____、_____、______等就是种群数量爆发增长的结果
种群爆发
蝗灾
鼠灾
赤潮
(2)当种群长期处于不利条件下,种群数量会出现______或_____的_____;如遭遇人类乱捕滥杀和栖息地破坏;
种群的延续需要有______________为基础;
当一个种群的数量过少,种群可能会由于________等原因而____、_____;
持续性
急剧
下降
一定的个体数量
近亲繁殖
衰退
消亡
*对于那些已经____________________________的物种,需要采取有效的措施进行保护;
低于种群延续所需要的最小种群数量
酿酒、制作面包都要用到酵母菌;
那么如何估算酵母菌种群数量的变化?
六、探究培养液中酵母菌种群数量的变化
1.实验目的
初步学会酵母菌等微生物的计数及种群数量变化曲线的绘制;
2.实验原理
用液体培养基(培养液)培养酵母菌,种群的增长受培养液的成分、空间、pH、温度等因素的影响;
3.提出问题
培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的?
4.材料用具
酵母菌、无菌马铃薯培养液或肉汤培养液、试管、血细胞计数板、滴管、显微镜等
5.讨论思路
(1)血细胞计数板构造
计数室
1mm
大方格的长和宽各为1mm,深度为0.1mm,
即1mm×1mm×0.1mm,其容积为0.1mm3;
计数室通常有两种规格:
16×25型:
即大方格内分为16中格,每一中格又分为25小格
25×16型:
即大方格内分为25中格,每一中格又分为16小格
不管计数室是哪一种构造,其每一大方格都是由16×25=25×16=400个小方格组成
两种不同计数室的取样方法不同
(2)怎样对酵母菌进行计数?
可以采用抽样检测的方法:
先将盖玻片放在血细胞计数板的计数室上,用吸管吸取培养液,滴于盖玻片边缘,让培养液自行渗入。
多余的培养液用滤纸吸去。
稍待片刻,待酵母菌全部沉降到计数室底部;
将计数板放在载物台的中央;
计数一个小方格内的酵母菌数量,在以此为根据估算酵母菌数量
(3)怎么计算酵母及数量?
假设小方格酵母菌数量的平均值是A个,稀释倍数为B,求每毫升培养液中酵母菌的数量:
大方格中酵母菌数量=A×400×10×1000×B
说明:大方格体积=0.1立方毫米,每个大方格共分为25个中方格,共有25×16=400个小方格
现学现用:
通常用血球计数板对培养液中酵母菌进行计数,若计数室为1mm×1mm×0.1mm方格,由400个小方格组成。若多次重复计数后,算得每个小方格中平均有5个酵母菌,则10mL该培养液中酵母菌总数有______个
2×108
(4)从试管中吸出培养液进行计数之前,建议你将试管轻轻振荡几次这是为什么?
使培养液中酵母菌分布均匀,以减少误差
(5)如果一个小方格内酵母菌数量过多,难以数清,应当采取什么措施
稀释适当倍数
(6)对于压在小方格界线上的酵母菌应当怎样计数?
只计相邻两边及其顶角上的酵母菌,
一般遵循“计上不计下,计左不计右”的原则
(7)本实验需要设置对照吗?
不需要对照,实验前后互为对照
(8)需要做重复实验吗?
需要重复实验,以提高实验数据的准确性;
对每个样品可计数三次,再取平均值
(9)怎么分辨死亡细胞和有活性的细胞?
死亡细胞多集结成团;
可以借助台盼蓝染色(死亡细胞呈蓝色)
6.实施计划
首先通过显微镜观察,估算出10mL培养液中酵母菌的初始数量(N0),在此之后连续观察7天,分布记录下这7天的数值
第 1 天
第 4 天
第 6 天
第 7 天
死亡
7.分析结果,得出结论
实验结论:
在适宜条件下 ,酵母菌种群呈“S” 形增长;
种群的增长速率是:先增加后减少,在K/2时增长速率最大
{4C3C2611-4C71-4FC5-86AE-919BDF0F9419}试管编号
培养液/mL
无菌水/mL
酵母菌母液/mL
温度(℃)
A
10
—
0.1
28
B
10
—
0.1
5
C
—
10
0.1
28
时间/d
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
7
6
5
4
3
2
1
酵母菌数量/万个·mL-1
A
C
B
8.进一步探究:温度或者营养物质对酵母菌数量的影响
9.注意事项
(1)取样时间需一致,且应做到随机取样(每天同一时间取样,或者每隔相同一段时间取样;
(2)抽取样液之前,需要振荡,使酵母菌均匀分布,若直接从静置的菌液上层中吸取,所测数值可能偏小,因为酵母菌会沉降在瓶底;
(3)若保持培养条件,酵母菌种群数量不会一直保持稳定,将会下降,因为营养物质减少、代谢废物增多、空间有限、pH降低等;
(4)血细胞计数板使用完毕后,用水冲洗干净或浸泡在酒精溶液中,切勿用硬物洗刷或抹擦,以免损坏网格刻度
七、补充内容——增长率(了解)
1.概念
2.曲线图
增长率=
一定时间内增长的数量
前一年数量
出生个数-死亡个数
前一年数量
出生率-死亡率
=
现有个体-前一年数量
前一年数量
=
=
=
现有个体
前一年数量
-
前一年数量
前一年数量
=
λ-1
J形增长的增长率
S形增长的增长率