Популяция как элемент экосистемы

Если экосистема – основная функциональная единица экологии, предмет ее исследования, то популяция – основной элемент каждой экосистемы.

Популяция – это совокупность особей одного вида, способная к самовоспроизведению, более или менее изолированная в пространстве и во времени от других аналогичных совокупностей того же вида

Популяция обладает биологическими свойствами, присущими составляющим ее организмам, и групповыми свойствами, присущими только популяции в целом. Как и отдельный организм, популяция растет, дифференцируется и поддерживает сама себя. Но такие свойства, как рождаемость, смертность, возрастная структура, характерны только для популяции в целом.

При описании популяций используют две группы количественных показателей: статические, характеризующие состояние популяции в какой-то определенный момент времени, и динамические, характеризующие процессы, протекающие в популяции за некоторый промежуток времени. Общая численность популяции выражается определенным количеством особей. Для ее оценки применяются различные методы. Если речь идет о крупных и хорошо заметных организмах, применяется аэрофотосъемка. В других случаях применяется метод мечения. Животных ловят, метят и отпускают обратно в природу. Через некоторое время производят новый отлов и по доле меченных животных определяют численность популяции. Количественным показателем оценки популяции является плотность – численность популяции, отнесенная к единице занимаемого пространства. Для характеристики пространственного распределения особей применяют методы математической статистики, которые позволяют оценить дисперсию наблюдаемого распределения плотности и сопоставить ее со средним значением плотности.

Поскольку длительность существования популяции значительно превышает продолжительность жизни отдельных особей, в ней всегда присутствует смена поколений. И даже если численность популяции постоянна, то постоянство является результатом динамического равновесия прибыли и убыли особей.

Продолжительность жизни у разных видов различна, и, чтобы их сравнивать, строятся кривые выживания. На оси абсцисс откладывается время жизни, на оси ординат – число выживших (рис. 1.4). Кривая типа I (сильно выпуклая) характерна для популяций организмов, у которых смертность почти до конца жизни остается низкой. Этот тип кривой выживания характерен для многих видов крупных животных, в том числе и для человека. Другой крайний вариант – кривая типа III (сильно вогнутая) характерна для популяций, у которых смертность высока на ранних стадиях. Так, у личинок устриц и прорастающих желудей очень высокая смертность, но как только особи хорошо приживутся, продолжительность жизни резко увеличивается.

Кривая типа II (диагональная) соответствует постоянной смертности в течение всей жизни. Такие кривые встречаются у рыб, пресмыкающихся и птиц. Кривая выживания человека не всегда имела выпуклую форму. Например, кривые, построенные по надписям на надгробиях людей, живших в Римской империи в I-IV вв. н. э., были диагональными.

В популяции выделяют три экологические возрастные группы: пререпродуктивную, репродуктивную и пострепродуктивную. В быстрорастущих популяциях значительную долю составляют молодые особи. В популяциях, находящихся в стационарном состоянии, возрастное распределение относительно равномерное. В популяциях, численность которых снижается, содержится большая доля старых особей. У современного человека упомянутые три возрастные группы приблизительно одинаковы.

У первобытных людей пререпродуктивный период очень длителен, репродуктивный – короткий, а пострепродуктивный отсутствует совсем. У поденок, например, личиночное развитие занимает несколько лет, а во взрослом состоянии (в репродуктивный период) они живут несколько дней.

В среде, не ограничивающей рост популяции (нет ограничения в пище, пространстве и т.д.), удельная скорость роста, т. е. скорость, рассчитанная на одну особь, становится постоянной и максимальной. Этот показатель, обозначаемый r, является экспонентой в дифференциальном уравнении роста популяции в нелимитирующей среде.

типы экологических стратегий:

· r -стратегия характерна для популяций в начальный период увеличения ее численности. Она определяется отбором в условиях, когда плотность популяции мала и соответственно слабо выражено тормозящее воздействие конкуренции. Эта стратегия характерна, например, для временных водоемов, заполняющихся водой только в период дождей. r -отбор направлен на высокую плодовитость, быстрое достижение половой зрелости, достижение короткого жизненного цикла, способности выживания в неблагоприятный период в виде покоящихся стадий;

· K -стратегия связана с отбором, направленным на повышение выживаемости и величины предельной плотности К в условиях стабилизирующейся численности популяции при сильном воздействии конкуренции. K -отбор направлен на оценку конкурентоспособности и предусматривает возможные пути защищенности от хищников и паразитов, и выживаемости потомства, а также совершенствования механизмов регуляции численности.

В южных регионах распространено растение амброзия. Она растет по свалкам, залежам и другим недавно нарушенным местообитаниям. С другой стороны, в умеренном поясе в стабильном нижнем ярусе леса обитают травянистые растения. Если сравнить эти растения по продукции семян, окажется, что амброзия продуцирует семян в 50 раз больше, чем растения леса, и тратит в 5 раз больше чистой энергии на размножение. Амброзия – пример r -отбора, растения лесного сообщества – K -отбора.

Логистическая модель популяционного роста исходит из предположения о том, что для каждой популяции существует определенный равновесный уровень плотности (численности). Это уровень, при котором рождаемость равна смертности. Если равновесный уровень превышен, то в самой популяции или в окружающей среде что-то должно измениться так, чтобы смертность стала больше рождаемости, а популяция соответственно начала сокращать свою численность. Напротив, в случае понижения численности ниже равновесного уровня процессы, происходящие в популяции или в среде, должны привести к росту численности популяции. Регуляционизм – представление о том, что каждая популяция обладает равновесным уровнем плотности (численности) и существуют механизмы, направленные на поддержание этой плотности. Наблюдения и эксперименты позволили считать, что динамика численности любой популяции есть автоматически регулируемый процесс, а действие факторов, контролирующих популяцию, определяется плотностью самой популяции.

Принципиально иной подход к оценке механизмов, поддерживающих численность популяции, – это стохастизм, при котором придается случайно действующим факторам среды, например, погодным, основное значение. Стохастизм отрицает существование равновесного уровня, отклонение от которого автоматически возвращает популяцию к исходному уровню плотности.

Человечество в биосфере

Уровень влияния человека на окружающую среду определяется сложностью ее положение в биосфере. C одной стороны, человек- биологический объект, неразрывно соединен с круговоротом веществ системой трофических но энергетических связей между ней и другими участниками экосистем. С другой стороны, человечество создает высокоразвитую социальную систему, которая выставляет существенные требования относительно среды, обусловленные потребностями, которые растут по мере развития промышленности и росту численности населения.

Противоречие такого положения заключается в том, что человечество как социальная система функционирует намного шире, чем как биологическая система. В результате этого несоответствия нарушается биологический круговорот веществ, что ухудшает качество среды. До решения этой проблемы в настоящее время привлеченные методы экологических исследований, которые проводятся на разных направлениях. В первую очередь это касается абиотических факторов: температуры, освещенности (длительности дня), влажности воздуха и тому подобное. В отдельных случаях существуют определенные ограничения деятельности человека и сроки ее адаптации. У неадаптированных людей, как правило, значительно низшая работоспособность. Генетическая неоднородность популяций человека тоже определяет ее адаптивные возможности. Существуют конститутивные типы людей, предопределенные генетически, которые способны по-разному приспосабливаться к конкретным условиям. Еще одна активная черта существования современного человеческого общества - урбанизация.

Но индустриальное общество на это возлагаться не может. Загрязнение в отдельных экосистемах происходит постоянно, причем часть загрязнителей является чрезвычайно стойкой и не может быть ликвидирована естественным путем (некоторые детергенты, большинство пестицидов и инсектицидов). В такой ситуации постепенно параметры некоторых факторов приобретают лимитирующие значения для отдельных членов экосистемы, и они заміщуються другими видами в ходе дигресивных сукцессий. После выхода параметров за пределы лимитирующих значений в экосистеме начинается накопление загрязнителей. Эти явления происходят в естественных экосистемах очень давно. Особенное значение они приобрели на урбанизированных территориях, в промышленных зонах и на территориях с интенсивным ведением сельского хозяйства.

Основными источниками загрязнения на суше являются промышленные и канализационные стоки, выбросы в атмосферу промышленных газов и газо-пыльных смесей, промыслу но бытовые отходы. Нерациональное использование ископаемого топлива приводит к катастрофическому загрязнение атмосферы. Воздух, которым мы дышим, часто содержит твердые части (копоть, асбест, бытовая пыль и тому подобное), микроскопические капли жидкостей (углеводы, кислоты) и газы, какие отсутствующие в естественной атмосфере.

Первым барьером на пути проникновения загрязнителей в человеческий организм становятся очистительные фильтры промышленных предприятий и системы очистки выхлопных газов автомобилей. Каждый легковой автомобиль за год выделяет в атмосферу до 1? С02, к 300 кг циклических углеводородов, соединений свинца и окислов азота. В местах высокой концентрации автомобилей, особенно в крупных городах, при высокой температуре воздух происходят фотохимические реакции с образованием озона. Этот газ предоставляет выхлопным газам повышенной токсичности. Доказано, что в городах с высоким уровнем загрязнения атмосферы выхлопными газами повышается уровень заболеваемости на рак легких. Предприятия, которые сжигают уголь, в условиях повышенной влажности воздуха могут повлечь накопление в водоемов (как естественных, так и искусственных) или рек; нередко - из подземных водоносных горизонтов. Огромное значение имеет правильная организация очистки воды. Еще древнегреческий врач Гиппократ советовал фильтровать или кипятить воду перед применением.Беспечность использования питьевой воды определяется, в частности, наличием в ней примесей трех категорий: неорганических, органических и микроорганизмов.

Среди неорганических растворенных примесей самыми вредными есть ионы фтора, хлора, мышьяка, нитраты. Среди органических - диоксин, отдельные пестициды, гербициды, детергенти. Среди микроорганизмов – возбудители холеры, тифа, реже паратифу и дизентерии. Контакт с зараженной водой может повлечь лептоспироз. Бактерия-возбудитель этой болезни попадает в воду с мочой диких или домашних животных, а в человеческий организм - сквозь микротрещины, раны на коже или слизистых оболочках.Не стоит недооценивать инвазионные болезни, возбудители каких передаются с водой (например, ришта, шистосомы). Цикл их развития можно прервать только путем внедрения активных санитарно- гигиенических мероприятий. Одна из наибольших эпидемий амебиазу была зафиксирована в г. Чикаго 1933 p., когда там проводилась Всемирная выставка. Причиной эпидемии стало протекание канализационных труб, через что загрязнялась питьевая вода. Иногда возбудители попадают в питьевую воду через опорожнение больных людей. Большинство современных случаев заражения людей такими болезнями связана с тем, что в приготовлении еде участвуют скрытые носители возбудителей болезней, которые не придерживаются правил личной гигиены.Употребление воды из естественных источников может вызваться до поражения лямблиозом. Лямблия часто не вызывает у зараженного человека или теплокровной животные никаких симптомов. Такой человек или животноестановится паразитоносителем и может, в свою очередь, стать причиной заражения источников воды. Характерно, что для уничтожения этого возбудителя хлорирования воды недостаточно, поскольку цисты паразита выдерживают такую процедуру. В связи с тем, что дикие теплокроые возбудителя гепатита. Чаще всего эпидемии вирусногогепатиту связаны с небольшими местными источниками водоснабжение, где отсутствует надлежащий контроль качества питьевой воды. Наибольшая эпидемия вирусного гепатиту была зафиксирована в г. Нью-Дели (столица Индии) в 1956 г. Тогда заболело около 50 000 людей, хотя вода, зараженная этим вирусом, была хлорируемой.Для этого использовались песчаные фильтры. Биологическая очистка предусматривает пропускание воды сначала сквозь систему аэробных, а потом анаэробных редуцентов. Как правило, это бактерии и мелкие беспозвоночные. При этом нежелательные макромолекулы минерализируются и выводятся путем следующей химической очистки. При химической очистке осуществляют осаждение (коагуляцию) коллоидов, пропускают воду сквозь специальные фильтры, хлорируют или озонируют.При этом минерализованные соединения удаляются вместе с осадком, а нежелательные микроорганизмы уничтожаются. Хлорирования в современных условиях используют все реже, поскольку излишек хлора, который может попадать в организм человека, который регулярно употребляет хлорируемую воду, вызывает негативные изменения. Более современными (но и существенно более дорогими) есть методы озонирования воды. Осадок переносят на питательную среду, необходимое для выращивания колоний микроорганизмов. Потом появления колоний их количество подсчитывают и делают выводы относительно пригодности употребления воды.

Проблема питьевой воды для детей, которые умирают на планете за год, погибают от заболеваний, связанных с употреблением некачественной воды. Отсутствие надежного контроля за состоянием питьевой воды является причиной распространения через воду тех заболеваний, на которые приходятся около 80 % летальные случаев.

53. Ни один организм в природе не существует вне связей со средой и другими организмами. Эти связи - основное условие функционирования экосистем. Через них, как было показано выше, осуществляется образование цепей питания, регулирование численности организмов и их популяций, реализация механизмов устойчивости систем и другие явления. В процессе взаимосвязей происходит поглощение и рассеивание энергии и в конечном счете осуществляются средообразующие, средоохранные и средостабилизирующие функции систем.

Подобные экосистемные связи обусловлены всем ходом эволюционного процесса. По этой причине и любое их нарушение не остается бесследным, требует длительного времени для восстановления. В связи с этим экологически обусловленное поведение человека в природе невозможно без знакомства с этими связями и последствиями их нарушения. Целесообразно выделять взаимосвязи и взаимоотношения организмов в природе (экосистемах) как различные понятия.

Взаимосвязи организмов. Взаимосвязи обычно классифицируются по «интересам», на базе которых организмы строят свои отношения.

Самый распространенный тип связей базируется на интересах питания. Такие связи носят название пищевых или трофических (греч. трофо - питание). В данный тип связей выделяется питание одного организма другим или продуктами его жизнедеятельности (например, экскрементами), питание сходной пищей (например, мертвым органическим веществом). Этим типом связей объединяются растения и насекомые, опыляющие их цветки. На базе трофических связей возникают цепи питания.

Связи, основанные на использовании местообитаний, носят название топических (греч. топос - место). Например, топические связи возникают между животными и растениями, которые предоставляют им убежище или местообитание (насекомые, прячущиеся в расщелинах коры деревьев или живущие в гнездах птиц, растения, поселяющиеся на стволах деревьев (но не паразиты). Не только трофическими, но и топическими отношениями связаны паразиты с организмами, на которых они паразитируют.

Трофическая (функциональная) структура экосистемы (цепь питания) и круговорот вещества в ней

 

Следующий тип связей носит название форических (лат. форас -наружу, вон). Они возникают в том случае, если одни организмы участвуют в распространении других или их зачатков (семян, плодов, спор). Животными это распространение может осуществляться как на наружных покровах, так и в пищеварительном тракте.

Выделяют также тип связей, которые носят название фабрических (лат. фабрикатио - изготовление). Для них характерно использование одними организмами других или продуктов их жизнедеятельности, частей (например, растений, перьевого покрова, шерсти, пуха) для постройки гнезд, убежищ и т. п.

Взаимоотношения организмов. Данная классификация строится по принципу влияния, которое оказывают одни организмы на другие в процессе взаимных контактов. Эти взаимоотношения можно обозначить математическими значками «+», «–», «0» (положительно, отрицательно, нейтрально).

Если взаимоотношения обоим партнерам выгодны, они обозначаются значками (+,+) и носят название симбиоза или мутуализма. Степень этих связей различна. В ряде случаев организмы настолько тесно связаны, что функционируют как единый организм. Например, лишайники, представляющие симбиоз гриба и водоросли. Водоросль поставляет грибу продукты фотосинтеза, а гриб для водоросли является поставщиком минеральных веществ и, кроме того, субстратом, на котором она живет. В то же время сожительство грибов с корнями растений (микориза) носит хотя и взаимовыгодные, но не в такой степени тесные взаимоотношения. Тип взаимовыгодных отношений широко распространен. Сюда относятся и микроорганизмы, населяющие пищеварительный тракт животных, способствуя усвоению пищи; и, в ряде случаев, травоядные животные. Установлено, что исключение поедания трав животными может иметь следствием оскудение растительных сообществ, снижение ими продуктивности и устойчивости. Даже умеренное объедание листьев древесных растений насекомыми или их гусеницами может быть положительным не только для животных, но и для растений.

Взаимоотношения, которые положительны для одного вида и отрицательны для другого (+,-), характеризуются как хищничество и паразитизм. Хищник и паразит обычно приспосабливаются к использованию других организмов (их жертв и хозяев), а последние, в свою очередь, имеют адаптации, которые сохраняют им жизнь. Эти типы взаимоотношений обычно играют большую роль в регулировании численности организмов. Интенсивное размножение хищников и паразитов обычно имеет следствием уменьшение численности их жертв или хозяев.

В свою очередь, уменьшение численности жертв и хозяев подрывает кормовую базу хищников и паразитов, что ведет к сокращению их численности и т. д. В конечном счете имеет место обычно пульсирующая численность организмов, вступающих в такие типы взаимоотношений.

Хотя взаимоотношения типа хищничества и паразитизма сходны по результатам влияния на численность особей, они резко различаются по образу жизни и адаптациям. Во взаимоотношениях хищник-жертва оба организма постоянно совершенствуются: первый в плане успешности охоты, второй - в отношении самосохранения. И в том и в другом случае требуется быстрая реакция, высокая скорость передвижения, хорошее зрение, обоняние и т. п.

Во втором типе взаимоотношений у паразита адаптации идут по пути специализации структур на использование хозяина как источника пищи и «благоустроенного» местообитания. Результатом этого является упрощение многих органов (пищеварительный тракт, накожные покровы, органы передвижения, чувств и др.). Вместе с тем, поскольку жизнь паразита очень тесно связана с хозяином, он адаптирован на выживание во внешней среде после смерти хозяина. Достигается это за счет большого количества зачатков (семян, спор, цист и т. п.), обычно долго сохраняющихся в среде.

Адаптации хозяина направлены, как правило, на уменьшение вреда от паразита. Это проявляется в выработке активного иммунитета, заключении внутренних паразитов в различного вида капсулы (галлы, цецидии и т. п.).

В ряде случаев адаптации паразитов и хозяев приводят к их взаимовыгодным отношениям типа симбиоза. Есть основание полагать, что в большинстве случаев симбиоз (мутуализм) вырос из паразитизма.

Взаимоотношения, невыгодные обоим партнерам (-,-), носят название конкуренции. Последняя тем сильнее, чем ближе потребности организмов к фактору или условию, за которые они конкурируют. В этом отношении наиболее близки интересы организмов одного вида, и, следовательно, внутривидовая конкуренция рассматривается как более острая по сравнению с межвидовой. Однако данное положение противоречит тому факту, что практически все механизмы существования вида направлены на его выживание. Такое противоречие решается тем, что на внутривидовом уровне есть механизмы, которые позволяют снять остроту конкурентной борьбы, в том числе жертвуя частью особей (см. разд.V.2). Конкуренция и взаимоотношения типа хищник-жертва являются основными в совершенствовании видов, в то время как взаимоотношения типа мутуализма (симбиоза) способствуют оптимизации жизненных процессов, более полному освоению среды.

Менее распространенным типом взаимоотношений является комменсализм (франц. комменсал - сотрапезник) - отношения, положительные для одного и безразличные для другого партнера (+,0), его иногда делят на нахлебничество, когда один организм поедает остатки пищи со «стола» другого (крупного) организма (например, акулы и сопровождающие их мелкие рыбы; львы и гиены) и квартиранство, или синойкийю (греч. синойкос -сожительство), когда одни организмы используют другие как «квартиру», убежище. Например, молодь некоторых морских рыб прячется под зонтик из щупалец медуз, или некоторые насекомые живут в норах животных, гнездах птиц, используя их только для укрытия.

Не часто встречается также аменсализм (лат. аменс - безрассудный, безумный) - отрицательный для одного организма и безразличный для другого (-,0). Например, светолюбивое растение, попавшее под полог леса. Отношения, при которых организмы, занимая сходные местообитания, практически не оказывают влияния друг на друга, носят название нейтрализма (0,0). Например, белки и лоси в лесу. Сохранение разнообразия связей - важнейшее условие устойчивости экосистем.

 

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: