1.2 种群数量的变化（优质精讲课）生物人教版选择性必修2

——从鳄雀鳝入侵看种群数量的消长 第1章《种群及其动态》 第2节 种群数量的变化 人教版高中生物选择性必修2 1.7.2013 ‹#› 尝试建立数学模型表征和解释种群的数量变化；举例说明种群的：“J”形增长、“S”形增长、波动等数量变化情况；阐明环境容纳量原理的实践应用。 1. 尝试建立数学模型解释种群数量变化，培养模型与建模思维。（科学思维） 2. 说明种群数量的"J"形和"S"形增长模型，形成稳态与平衡观。（生命观念） 3. 运用种群数量变化规律，解释有害生物防治、濒危动物保护和渔业捕捞。（社会责任） 课程标准 学习目标 1.7.2013 ‹#› 1 情境导入 2 任务探究 3 课堂小结 4 课堂演练 目 录 1.7.2013 ‹#› 情境导入：鳄雀鳝入侵后，种群数量会怎么变化？ 上节情境延续：2026年5月，广州华圣公园发现鳄雀鳝后工作人员对其进行了捕捞清除；2022年8月，汝州云禅湖不惜抽干湖水捕获的2条鳄雀鳝。如果没有人为干预，它的种群数量会如何变化？ 问题探讨： 鳄雀鳝刚入侵时，食物充足、没有天敌，种群数量会怎么增长？ 随着数量增多，食物和空间有限，增长会一直持续吗？ 1.7.2013 ‹#› 旧知回顾：建构模型 ⚛ 科学方法 建构模型 （必修1P57) 物理模型 以实物或图画形式直观地表达认识对象的结构特征。如动物细胞亚显微结构模式图。 概念模型 以文字表述抽象概括生命活动过程。如卡尔文循环示意图。 数学模型 如pH对H2O2酶活性影响的坐标图。 ？ 1.7.2013 ‹#› 建构种群增长模型的方法 0 1 1. 为什么要建立数学模型？ 2. 怎样用数学方法描述种群数量的变化？ 3. 数学公式和曲线图各有什么优缺点？ 4. 什么是数学模型？建立数学模型的一般步骤是什么？ 新知探究 阅读P7-P8 任务一：怎样建构种群增长的模型？ 数学模型 【自主学习】1. 为什么要建立数学模型？ 我们面临的实际问题 • 怎样应对鳄雀鳝等外来物种入侵？ • 怎样控制鼠害、虫害等有害动物？ • 怎样保护大熊猫等濒危动物？ • 怎样确定渔业的最大捕捞量？ 从"看见现象"到"看透本质" 我们需要一把读懂种群动态的钥匙！ 数学模型的作用 • 描述：描述种群数量的变化规律 • 解释：解释种群数量变化的原因 • 预测：预测种群数量未来的变化 数学的精确之美，融入生命的复杂之妙 让生命现象可以被精确描述和预测！！ 时间(min) 分裂次数(n) 细菌数量(N) 数量关系 0 0 1 20 1 40 2 60 3 80 4 100 5 120 6 假设：在营养和生存空间没有限制的情况下，某种细菌每20 min就通过分裂繁殖一代。 任务一：怎样建构种群增长的模型？ 数学模型 【自主学习】2. 怎样用数学方法描述种群数量的变化？ 讨论 1. 第n代细菌数量的计算公式是什么？ 2. 72h后，由一个细菌分裂产生的细菌数量是多少？ N = 20 N = 21 N = 22 N = 23 N = 24 N = 25 N = 26 2 4 8 16 32 64 Nn= N0×2n 2216个 假设：在营养和生存空间没有限制的情况下，某种细菌每20 min就通过分裂繁殖一代。 任务一：怎样建构种群增长的模型？ 数学模型 【自主学习】2. 怎样用数学方法描述种群数量的变化？ 讨论 3. 以时间为横坐标，细菌数量为纵坐标，画出细菌种群的增长曲线。 4. 同数学公式相比，曲线图表示的模型有什么优点和局限性？ 数学公式→ 精确，但不直观 曲线图→ 直观，但不精确 任务一：怎样建构种群增长的模型？ 【自主学习】3. 什么是数学模型？建立数学模型的一般步骤是什么？ 数学模型 数学模型： 用来描述一个系统或它的性质的数学形式。 ☞【易错提醒】数学模型可以是数学公式、曲线图或表格，用来描述种群数量变化规律。 细菌每20min分裂一次，怎样计算细菌繁殖n代后的数量？ 在资源和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 N代表细菌数量，n代表第几代 观察、统计细菌数量，对自己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 种群的“J”形增长 0 2 1.7.2013 ‹#› 1. 什么是“J”形增长曲线？ 2. “J”形增长需要什么条件？ 3. “J”形增长的数学模型是怎样的？ 4. “J”形增长的特点是什么？ 5. 增长率与“λ”的关系是什么？“λ”如何解读？ 新知探究 阅读P8-P9 任务二：从24到6亿，种群为何呈“J”形增长？ 【自主学习】 1. 什么是"J"形增长？ “J”形增长 情境假设：鳄雀鳝刚入侵后，如果没有有关部门组织捕捞，它的种群数量会呈什么增长方式？下面通过分析两个自然界种群增长的实例，探究其可能的增长趋势。 澳大利亚野兔 某岛屿环颈雉 讨论 这两个资料中的种群增长有什么共同点？ 种群数量增长迅猛，且呈无限增长趋势。 时间 种群数量 0 “J”形增长 任务二：从24到6亿，种群为何呈“J”形增长？ “J”形增长 【自主学习】2. "J"形增长需要什么条件？ 条件：食物和空间条件充裕、气候适宜、没有天敌和竞争物种等（理想状态） 【自主学习】3. "J"形增长的数学模型是怎样的？ Nt = N0 λt t年后种群的数量 种群的起始数量 种群数量是前一年种群数量的倍数 时间 时间 种群数量 0 任务二：从24到6亿，种群为何呈“J”形增长？ “J”形增长 【自主学习】4. "J"形增长的特点是什么？ 时间 种群数量 0 时间 增长率 0 时间 增长速率 0 现有个体数—原有个体数 原有个体数 增长率 = ×100% 现有个体数—原有个体数 增长时间 增长速率 = 特点：种群数量没有上限，增长率不变，增长速率越来越大。 任务二：从24到6亿，种群为何呈“J”形增长？ “J”形增长 【自主学习】5. 增长率与“λ”的关系是什么？“λ”如何解读？ λ的大小 种群数量变化 年龄结构 0<λ<1 λ=1 λ>1 减少 维持稳定 增加 衰退型 稳定型 增长型 ☞【易错提醒】λ表示该种群数量是前一年种群数量的倍数，不是增长的倍数。 增长率=λ－1 任务二：从24到6亿，种群为何呈“J”形增长？ “J”形增长 【小组合作】“λ”的曲线分析，如何判断“J”形增长？ λ变化 种群数量变化 a段 λ>1且恒定不变 b段 λ持续减小但始终大于1 c段 λ=1 d段 λ不断减小且小于1 e段 λ不断增大但仍小于1 种群数量每年以固定倍数增加，呈现“J”形增长 种群数量仍在增加 种群数量维持稳定 种群数量减少 种群数量继续减少 ☞【核心技巧】 种群数量增长→λ>1 “J”增长→λ>1且恒定不变 种群的“S”形增长 0 3 1.7.2013 ‹#› 1. 自然界中种群能不能一直呈“J”形增长？ 2. 什么“S”形增长，曲线形成的原因是什么？ 3. “S”形增长曲线有什么特点？ 4. 什么是环境容纳量（K值）？同一种群的K值是不是固定不变的呢？ 5. K值在现实生活中如何应用？ 6. 种群数量的变化还有哪些类型？ 新知探究 阅读P9 【自主学习】1. 自然界中种群能不能一直呈“J”形增长？ 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ 情境回归：华圣公园和云禅湖都是一个有限的生态系统，有资源、空间方面的限制。入侵后期，湖里的鱼总有被鳄雀鳝吃光的一天，种群数量还会呈“J”形增长吗？下面通过分析生态学家高斯曾经做过的大草履虫实验，探究其可能的增长趋势。 “S”形增长 【高斯实验】 在0.5mL培养液中放入5个大草履虫，然后每隔24h统计一次数量。 第2～3天增长最快，第5天后基本维持在375个左右，增长曲线并不呈“J”形 “S”形增长 数据分析 【自主学习】2. 什么是“S”形增长，曲线形成的原因是什么？ 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ “S”形增长 模型分析 a b c d e 形成原因： 资源和空间有限 种内竞争加剧 出生率降低，死亡率升高 当死亡率=出生率，增长停止 （有时会稳定在一定水平） “S”形增长 概念：种群经过一定时间的增长后，数量趋于稳定，增长曲线呈“S”形。 【小组合作】高斯实验的数据有什么规律？ 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ “S”形增长 时间（d） 0 1 2 3 4 5 6 数量（个） 5 20 137 319 369 375 365 图表转换 时间（d） 0 1 2 3 4 5 6 增长速率（个/d） — 第3天增长速率最大→ 然后逐渐下降 → 第6天开始负增长 数据分析 数据加工 建构新模型 15 177 182 50 6 －10 【自主学习】3. “S”形增长曲线有什么特点？ 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ “S”形增长 模型分析 a b c d e a c e cd段 de段 ab段 bc段 c点 适应期，种群数量少，增长速率小 快速增长期，种群增长速率增大 种群增长速率最大 种群密度增加，但种群增长速率减小 出生率≈死亡率，增长速率接近0，种群数量维持相对稳定 【拓展延伸】“S”形增长的增长速率与增长率 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ “S”形增长 模型分析 随着种群数量的增加，种群增长的阻力也会随之增大，增长率下降 增长速率先升后降 【自主学习】4. 什么是环境容纳量？同一种群的K值是不是固定不变的呢？ 任务三：S 形增长，为何涨着涨着就 "刹车"？ “S”形增长 模型分析 K值 K/2 环境容纳量：一定环境条件所能维持的种群最大数量，又称K值。 a b c d e a c e K/2 K值 ☞【易错提醒】 K值并不是种群数量的最大值，种群数量所达到的最大值可能会超过K值，但最大值存在的时间很短，因为环境会遭到破坏。图中该种群的K值为N2，最大值为N1。 K值不是固定不变的，会随环境改变而变化。改善环境可以提高K值，破坏环境会降低K值。 增长速率最大 【自主学习】种群数量的波动 任务四：种群数量的变化还有哪些类型？ 种群数量的波动 ☞比较稳定 ☞总是在波动中 种群数量变化的其他类型：• 种群爆发：蝗灾、鼠灾、赤潮 • 种群衰退：长久处于不利条件下 • 种群消亡：数量过少，可能灭绝 比较项目 J形增长 S形增长 前提条件 理想条件（食物空间充裕、无天敌） 有限环境（有环境阻力） K值 无K值 有K值 增长率 不变 逐渐减小 增长速率 越来越大 先增大后减小，K/2时最大 联系 重点解析：比较“J”形增长与”S“形增长 ☞【易错提醒】环境阻力自开始就存在 重点解析：K值和K/2的不同表示方法 K值 K/2 K值 K/2 K值 K值 K值 增长 下降 【K值的应用】 保护濒危动物：改善环境，提高K值 例：建立大熊猫自然保护区 防治有害生物：降低K值 例：清理垃圾、硬化地面 【K/2值的应用】 渔业捕捞：捕捞后剩余至K/2 此时增长速率最大，种群快速恢复 有害生物防治：要在K/2之前进行 越早越好，不要让种群达到K/2 重点解析：环境容纳量与现实生活 情境回归：对鳄雀鳝等外来入侵物种的控制，应当采取什么措施？ 培养液中酵母菌种群数量的变化 0 4 1.7.2013 ‹#› 1. 作出何种假设？ 2. 如何设计实验？ 3. 怎样对酵母菌进行计数？ 4. 实验步骤如何操作？有哪些注意事项？ 5. 怎样记录结果？记录表怎样设计？ 6. 如何进一步探究影响酵母菌种群增长的因素？ 新知探究 阅读P11 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】1. 该作出何种假设？ 酵母菌在开始一段时间呈“J”形增长，随着时间的推移，由于资源和空间有限，呈“S”形增长，时间再延长，酵母菌数量会下降。 【自主学习】2. 如何设计实验？ 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】3. 怎样对酵母菌进行计数？ 方法：抽样检测 用具：血细胞计数板 1mm 1mm 容积=1×1×0.1=0.1mm3 大方格 16×25型 取四角的四个中方格(100个小方格)计数 取四个角和中央的五个中方格(80个小方格)计数 计数室示意图 小方格 中方格 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】3. 怎样对酵母菌进行计数？ 25×16型 ☞不管计数室是哪一种,每一大方格都是由400个小方格组成。 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】3. 怎样对酵母菌进行计数？ 计算公式 1mL培养液中酵母菌总数=小方格中酵母菌平均数×400 ×104×稀释倍数 0.1mm3（大方格）中菌体数 1mL中菌体数（稀释后） 稀释 100倍 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】4. 实验步骤如何操作？有哪些注意事项？ 注意事项 1. 从试管中取样前为什么要轻轻振荡试管，使培养液中的酵母菌均匀分布，减少实验误差 2. 计数时先将盖玻片放在血细胞计数板的计数室上，将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再计数 后盖盖玻片可能由于已加入液滴的表面张力而不能严密地盖到计数板表面，使计数室内液体增多，导致结果偏高。 直接滴加培养液时，在计数室内会产生气泡，导致计数室相对体积减小而造成误差。 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】4. 实验步骤如何操作？有哪些注意事项？ 讨论 1. 本探究需要设置对照吗？ 2. 需要重复实验吗？为什么？ 不需要。酵母菌在不同时间内的数量可以形成自身前后对照 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，取平均值。 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【自主学习】5. 怎样记录结果？记录表怎样设计？ 组别 第0天 第1天 第2天 第3天 第4天 第5天 第6天 1 2 3 … n 平均值 结果分析： 得出结论： d点前，酵母菌种群数量呈“S”形增长 de段曲线下降的原因：可能是营养物质随着消耗逐渐减少，有害产物逐渐积累，培养液的pH等理化性质发生改变等 任务五：培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？ 【拓展延伸】6. 如何进一步探究影响酵母菌种群增长的因素？ 可对不同培养条件（如温度、pH 、通气量不同，以及使用加糖或不加糖的培养基）下，酵母菌种群数量增长的情况进行探究。 可以通过台盼蓝染色法区别活细胞与死细胞，活的酵母菌呈无色，死的酵母菌将呈蓝色，如何分别计数，算出两者比例，从而进一步换算出总菌体数中的活菌数。 ☞【易错提醒】加入的台盼蓝的体积应折算在稀释倍数中。 课堂小结 种群数量的变化 建构种群增长模型的方法 种群的“J”形增长 条件：食物和空间充裕、气候适宜、无天敌和其他竞争物种 种群的“S”形增长 种群数量的波动 大多数种群的数量总是在波动中 探究培养液中酵母菌种群数量变化 特点：种群数量每年以一定倍数增长（λ>1，且为定值） 条件：资源和空间有限 特点：种群增长速率先增大后减小，最后为0 长期处于不利条件下，会出现持续性的或急剧的下降，甚至衰退和消亡 课堂演练 1.如图表示某物种种群增长率随时间的变化关系，在t1时经调查该种群数量为N。下列有关叙述正确的是（　　） A．在t2时种群个体的数量与在t0时种群个体的数量相等 B．在t0~t2时间内，种群数量呈“S”形增长 C．该种群在此环境中的环境容纳量约为N D．在t1~t2时，该种群数量呈下降趋势 B 核心解题点 “S”形增长的增长速率：先增加，再减小，最后为0。 t1时种群数量为K/2，增长速率最快；t1到t2之间增长速率>0；t2时种群数量为K值。 1.7.2013 ‹#› 2.【生产应用】研究人员根据某地主管部门提供的农田中田鼠种群数量13年的数据变化，绘制出的λ值变化曲线如图所示。下列分析错误的是（ ） A．前4年间，田鼠种群年龄组成为增长型 B．第4年到第5年间，田鼠种群数量仍在增长 C．第5年到第9年间，田鼠种群数量增长到K/2值 D．第10年到第11年间，田鼠种群数量减少 课堂演练 C 核心解题点 核心概念：λ＝当年数量/上一年数量。 λ＞1增长，λ＝1稳定，λ＜1减少。 年龄结构由λ判断：＞1增长型，＝1稳定型，＜1衰退型。 1.7.2013 ‹#› 课堂演练 3.【新考法】下列关于环境容纳量的叙述，错误的是（ ） A．种群数量在K/2时增长最快 B．同一群落各种群的环境容纳量是相同的 C．环境容纳量会随着环境条件的改变而改变 D．环境容纳量是一段较长时间环境所能维持的种群最大数量 B 核心解题点 核心：K值的定义与特点。 · K值指较长一段时间内环境所能维持的种群最大数量。 · K值随环境条件改变而改变，不是固定值。 · 同一群落中不同种群的K值一般不同。 1.7.2013 ‹#› 课堂演练 4.【实验探究·数据计算】某兴趣小组在“探究培养液中酵母菌种群数量变化”的实验中，将酵母菌培养液稀释10倍后，经等体积台盼蓝染液染色后，用血细胞计数板（规格为1mm×1mm×0.1mm）进行计数，观察到一个中方格的菌体数如图。相关叙述错误的是（ ） A．取样时滴管从静置的培养液上部吸取，会导致数据偏小 B．统计时，要统计方格内和相邻两边线及夹角的无色菌体 C．显微计数时，应先盖盖玻片再加培养液，否则会导致计数结果偏高 D．若计数的中方格中酵母菌数量的平均数与图示中方格内酵母菌数量相同，则培养液中活酵母菌的密度为2.25×107个·mL-1 D 核心解题点 计算公式：1mL培养液中的酵母菌数为=每个小格中的平均酵母菌数 ×400个小格×10000× 酵母菌培养稀释倍数，则该1mL样品中酵母菌数约=9÷16×400×10000×2 ×10=4.5×107个 mL-1。 1.7.2013 ‹#› 课堂演练 5.某动物的种群增长速率与种群数量的关系如图所示，下列分析正确的是（ ） A．若被标记的个体更易被捕食，则估算的种群数量值会偏低 B．该种群a点的年龄组成为增长型，c点的年龄组成为衰退型 C．c点时，种群数量未达到K值，其增长速率与a点时的相同 D．若该种群为某海洋鱼类，要持续获得最大捕捞量，捕捞后的种群数量应处于c点 C 核心解题点 标记重捕法误差分析：标记个体更易被捕食→m偏小→N估算值偏大。 年龄结构判断：只要增长速率＞0，种群数量就在增加，年龄结构为增长型。 K值判断：增长速率=0 最大持续捕捞量：捕捞后维持在K/2 1.7.2013 ‹#› 谢谢观看！ 第1章 第2节 种群数量的变化 1.7.2013 ‹#› $