Популяции и их экологические характеристики
Популяции – это совокупность особей одного вида, длительно существующих на определенной территории и относительно изолированных от других особей вида. Они характеризуются численностью, плотностью, пространственным распределением, рождаемостью, смертностью, половой и возрастной структурой и др.
Каждая популяция может существовать только в определенных экологических условиях: при определенной температуре, влажности, составе атмосферы, гидросферы, наличии кормовых ресурсов, конкурентов, паразитов и т.п.
Под численностью популяции понимают количество особей в популяции. Различают большие и малые популяции. В больших популяциях (свыше 4000 особей)‚сохраняется закон Харди-Вайнберга, а в малых действуют элементарные эволюционные факторы. Численность особей в популяциях варьирует в зависимости от интенсивности размножения, гибели и миграций (перехода особей из одной популяции в другую). Эти показатели определяются абиотическими (климатические условия), биотическими (количество корма, хищников, вредителей, паразитов) и антропогенными факторами. В относительно постоянных условиях численность популяции остается примерно на одном уровне. Изменение среды обитания (холодная зима, засушливое лето) может резко снизить численность популяции, но затем обычно устанавливается новый относительно стабильный уровень.
Даже отсутствие паразитов может привести к значительному росту численности популяции, вследствие чего возможно истощение кормовых ресурсов и гибель или значительное снижение численности популяции.
Значительное влияние на численность популяций в биогеоценозах оказывает деятельность человека (антропогенный фактор). Изучение причин динамики численности популяций в биогеоценозах дает возможность предвидеть и предотвратить вспышки массового распространения травоядных насекомых (саранчи), насекомых-вредителей и паразитов. Однако вмешиваться в регуляцию численности популяций биогеоценозов следует обдуманно и осторожно. Например, истребление воробьев в Китае привело к интенсивному размножению их жертв – насекомых, которые уничтожали посевы. Использование ядохимикатов для защиты растений привело к гибели не только насекомых-вредтелей, но и их паразитов и полезных насекомых. Кроме того, возникли устойчивые к яду вредители, численность которых все время возрастает, а методы борьбы с ними не разработаны.
Неконтролируемая охота явилась причиной уничтожения ряда видов крупных млекопитающих (мамонтов, бизонов‚ морских коров), а другие находятся на грани почти полного исчезновения (зубры, бобры, соболя). В связи с этим перед человечеством стоит важная задача рационального использования видового состава биогеоценозов и сохранения их разнообразия. Для этого организуются заповедники, заказники, предпринимается искусственное разведение некоторых видов, ограничение охоты и собирательства.
Плотность популяции выражают числом особей или биомассой на единицу площади или объема. Плотность популяции зависит от многих факторов окружающей среды. Важнейшим фактором, регулирующим плотность популяций в биогеоценозах‚ являются кормовые ресурсы. Популяция обычно насчитывает столько особей, сколько их может прокормиться на занимаемой территории. Улучшение условий питания приводит к снижению конкуренции, росту рождаемости и увеличению численности популяции. Напротив, ухудшение кормовой базы приводит к обострению конкуренции, снижению плодовитости и повышению смертности в популяции.
Пространственное распределение особей популяции на занимаемой территории может быть относительно равномерным (реже) и групповым (чаще). Группе животных (семьи, стада, колонии, косяки) легче защищаться от хищников, добывать корм и т.п. .
Рождаемость – это отношение количества родившихся за определенное время особей к количеству всех особей популяции. Смертность – отношение погибших за определенное время особей к количеству особей популяции. Разница между рождаемостью и смертностью составляет прирост численности популяции. На эти показатели влияют практически все экологические факторы.
Половая структура – это отношение мужских и женских особей в популяции. Генетические механизмы определения пола обеспечивают равное соотношение полов. Веледствие большей жизнеспособности женских особей в популяциях чаще преобладают самки, что обеспечивает интенсивное воспроизведение потомков и рост популяций.
Возрастная структура отражает соотношение молодых, среднего возраста и старых особей. Преимущественное присутствие в популяции молодых особей свидетельствует о ее благополучии, а преобладание старых – о постепенном сокращении численнести популяции. Возрастная структура зависит от продолжительности жизни, времени наступления половой зрелости, числа пометов за сезон, количества потомков в помете и т.п.
Экосистема и ее видовая и пространственная структуры
Однородные участки суши (воды), заселенные живыми существами, называются биотопами (местами жизни). Исторически сложившееся сообщество организмов разных видов, населяющих биотоп, называется биоценозом. Сообщество организмов биоценоза и окружающая их неживая природа образуют биогеоценоз (экологическую систему). Термин «биогеоценоз» был предложен академиком В. Н. Сукачевым (1940). Биотические и абиотические компоненты биогеоценоза связаны процессами обмена веществ и энергии. Популяции организмов получают из среды необходимые для поддержания жизни ресурсы, выделяя одновременно продукты жизнедеятельности, восстанавливающие среду. Биогеоценоз функционирует как целостная самовоспроизводящаяся, саморегулирующаяся открытая система.
В состав биогеоценоза входят следующие компоненты:
- неорганические вещества, включающиеся в круговорот (соединения углерода и азота, кислород, вода, минеральные соли);
- климатические факторы (температура, освещенность);
- органические вещества (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.);
- продуценты – автотрофные организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических (растения);
- консументы – гетеротрофные организмы, растительноядные и плотоядные потребители готового органического вещества (животные);
- редуценты – гетеротрофные организмы, разрушающие остатки мертвых растений и животных и превращающие их в минеральные соединения (бактерии, грибы).
Биогеоценозы отличаются друг от друга видовым разнообразием. Разнообразие видов биогеоценозов увеличивается от полюса к экватору. Распределение в пространстве видов, образующих биогеоценоз, называется пространственной структурой биогеоценоза. Различают вертикальную и горизонтальную структуры.
Наиболее четко вертикальная структура – ярусность – прослеживается в лесах. В лесах умеренного климата можно выделить 5 ярусов: первый – высокие деревья, второй – деревья средней величины, третий – кустарники, четвертый – травы, пятый – мхи и лишайники. Основной фактор, обусловливающий вертикальное распределение растений, освещенность. Ярусность прослеживается и в распределении животных: в почве, на земле и в воздухе.
Горизонтальная структура биогеоценоза обусловлена неравномерным распределением живых организмов – образованием группировок (косяки рыб, стаи птиц).
В процессе жизнедеятельности особи биогеоценозов вступают в разнообразные прямые и косвенные отношения. Прямые отношения бывают: трофические, топические, форические и фабрические.
Трофические отношения складываются между представителями одних видов, питающихся другими видами, например травоядные животные питаются травой, хищники – травоядными и т.п.
Топические отношения возникают в том случае, если происходит изменение условий обитания одного вида в результате жизнедеятельности другого, например мхи и лишайники располагаются на коре деревьев.
Форические отношения – это участие особей одного вида в распространении представителей другого вида, например животные и птицы переносят семена, споры и пыльцу растений.
Фабрические отношения – это тип связей, при которых особи одного вида используют продукты выделения, мертвых и даже живых особей другого вида для своих сооружений, например птицы строят гнезда из веток, личинки ручейников для построения домиков иногда используют раковины мелких моллюсков.
Примером косвенных межвидовых отношений может служить увеличение числа насекомоядных птиц, которые, уничтожая насекомых-опылителей‚ снижают число плодов, которыми питаются животные.
Взаимосвязи популяций в экосистеме
Каждый биогеоценоз характеризуется видовым разнообразием, плотностью популяций каждого вида и продуктивностью – общим количеством живого органического вещества. Первичной продуктивностью биогеоценоза называется скорость продуцирования биомассы растениями в единицу времени, а вторичной – скорость продуцирования биомассы гетеротрофными организмами (консументами) в единицу времени.
Взаимоотношения между организмами биогеоценозов строятся на основе цепей питания. Цепью питания называется перенос потенциальной энергии пищи, созданной автотрофами, через ряд организмов путем поедания одних видов другими. Источником энергии, за счет которой существуют все организмы, является Солнце. Первое звено пастбищных цепей питания зеленые растения, преобразующие в процессе фотосинтеза световую энергию в энергию химических связей органических соединений (продуценты). Второе звено составляют травоядные животные (первичные потребители, консументы), поедающие растения. Большее количество потребляемой энергии они расходуют на процессы жизнедеятельности и только около 10% – на построение тела. Хищники (вторичные потребители, консументы), поедающие травоядных, также используют на построение своего тела до 10% энергии. Так как на каждой ступени питания теряется около 90% энергии, то цепи питания не могут быть длинными, чаще всего они состоят из 3 — 5 звеньев. В среднем из одной тонны растений образуется около 100 кг массы тела травоядных животных. Хищники могут построить из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищники – только 1 кг.
Таким образом, масса каждого последующего звена в цепи питания прогрессивно уменьшается. Эта закономерность называется правилом экологической пирамиды. В каждом последующем звене уменьшается и количество особей.
Особи каждого вида используют лишь часть содержащейся в органическом веществе энергии, доводя его распад до определенной стадии. Трупами и экскрементами консументов питаются сапрофиты – различные навозные и трупоядные насекомые, грибы и гнилостные бактерии, доводя их разложение до минеральных веществ, используемых растениями. Они являются разрушителями (редуцентами) и составляют третье звено цепей питания.
Пищевые цепи в экосистемах начинаются чаще всего с зеленых растений и через ряд промежуточных организмов (консументов) заканчиваются хищниками. Одни и те же виды могут служить источником пищи для многих организмов (растсния для всех травоядных), в результате чего в биогеоценозах формируются пищевые сети, сложные пищевые взаимоотношения, включающие разные цепи питания.
Пищевые цепи, начинающиеся с фотосинтезируюших организмов, называются пастбищными. Если пищевая цепь начинается с отмерших остатков растений, трупов животных и их экскрементов (детрита), она называется детритной. Детритные цепи характерны для сообществ дна глубоких озер, морей, океанов и лесов. Типичным примером детритной пищевой цепи лесов умеренной зоны является: опавшие листья – многоножки – дрозд – ястреб.
На схемах пищевой цепи отдельные звенья изображают в виде прямоугольников, площадь которых соответствует численным значениям звеньев. Располагая их в определенной последовательности, получают экологическую пирамиду. Экологическая пирамида обычно имеет вид треугольника с широким основанием, суживающимся кверху. Различают три типа экологических пирамид: чисел, биомасс и энергии.
Особи вида‚ занимающего положение высшего звена пирамиды питания, конкурируют друг с другом, но во взрослом состоянии, как правило, непосредственно не уничтожаются. Ограничивающими факторами здесь является только количество корма. Виды, занимающие низшие звенья пирамиды, чаще всего обеспечены питанием, но интенсивно истребляются высшими звеньями. Такие организмы становятся кормовой базой для высших животных.
Почти все виды животных используют несколько источников пищи, поэтому, если один член биогеоценоза выпадает из сообщества, вся система не нарушается. Чем больше видовое разнообразие в биогеоценозе, тем он устойчивее. Между всеми компонентами биогеоценоза устанавливается определенное динамическое равновесие, поддерживаемое саморегуляцией – способностью биогеоценозов восстанавливатъ свой состав после какого-либо отклонения. Например, массовое размножение грызунов вызывает значительное увеличение численности хищников и паразитов, которые сокращают величину популяции грызунов. Вслед за этим сокращается численность хищников, так как они начинают погибать от недостатка пищи (волны жизни). Таким образом, динамическое равновесие восстанавливается.
Динамика биогеоценозов
Биогеоценозы формируются длительно. В процессе функционирования биогеоценозы подвергаются непрерывным изменениям. Эти изменения обусловлены периодичностью изменений факторов внешней среды – суточные и сезонные ритмы, обусловленные сменой дня и ночи и времен года соответственно. Каждый живой организм в процессе своей жизнедеятельности изменяет среду вокруг себя, поглощая из нее продукты питания и выделяя в нее продукты обмена. Поэтому постепенно среда становится малопригодной для жизни одних видов и пригодной для других. Вследствие этого постепенно один биоценоз сменяется другим. Более быстрая смена биогеоценозов может быть обусловлена изменением климатических или других условий (лесной пожар, хозяйственная деятельность человека – вырубка лесов, осушение болот и т.п.). Смена биогеоценоза (сукцессия) — это направленная и непрерывная последовательность исчезновения одних популяций и появления других в данном биотопе. Чем полнее круговорот в биогеоценозе, тем он устойчивее и долговечнее. Смена биогеоценозов происходит в направлении от менее устойчивых к более устойчивым.
Ведущее значение в процессе смены биогеоценозов принадлежит растениям, хотя биогеоценозы изменяются как единое целое. Например, на месте лесного озера постепенно образуется торфяное болото. Вследствие отложения торфа водоем мелеет, прибрежная растительность распространяется к его центру. Озеро постепенно превращается в болото, поросшее травой, на котором в дальнейшем появляются кустарники, а затем деревья. Одновременно с изменением растительности изменяется и животный мир.
Природные биогеоценозы не могут полностью обеспечить человека продуктами, одеждой и промышленным сырьем, поэтому он создает искусственные экосистемы – агроценозы. Наряду с возделываемыми культурами в агроценозах произрастают сопутствующие сорные виды, которые испытывают мощный антропогенный пресс. Кроме того, в состав агроценозов входят бактерии, водоросли, грибы, животные. Агроценозы – это поля, пастбища, сенокосы, лесные посадки, парки, сады. Их относительно высокая продуктивность по сравнению с естественными биогеоценозами обеспечивается интенсивной технологией, подбором высокоурожайных сортов, внесением удобрений, мелиорацией. Таким образом, агроценозы – это экосистемы, которые создает, поддерживает и контролирует человек. Они не способны к саморегуляции, так как характеризуются однотипностью видового состава. Агроценозы имеют ряд принципиальных отличий от естественных экосистем. Помимо солнечной энергии они получают опосредованно через человека дополнительную энергию, расходуемую на рыхление и удобрение почвы, мелиорацию и т.п. В агроценозах происходит неполный круговорот веществ, так как при уборке урожая уносится значительная часть элементов, что компенсируется внесением удобрений. В биогеоценозах действует естественный отбор, а в агроценозах – искусственный. Агроценозы обладают слабой устойчивостью, и их сохранение зависит от деятельности человека. Если она прекращается, то искусственное растительное сообщество заменяется природной растительностью. Необработанные поля довольно быстро зарастают сорняками, затем кустарниками, мелколесьем и наконец – лесом. Для повышения продуктивности агроценозов в настоящее время проводят осушение и орошение почв, борьбу с эрозией (укрепление склонов, безотвальная вспашка, залуживание бывших торфяников), нормированное внесение удобрений, дозированное применение средств для борьбы с вредителями и болезнями растений, с сорняками. Используют высокопроизводительную технику, получают новые высокоурожайные сорта культурных растений, устойчивые к болезням и вредителям, применяют биологические способы борьбы с вредителями, соблюдают научнообоснованные севообороты. В овощеводстве и цветоводстве широко используют теплицы, парники и выращивание овощей без грунта – гидропонику(в качестве субстрата используют гравий, орошаемый растворами солей) и аэропонику (субстрат отсутствует, а корни периодически опрыскивают растворами минеральных солей).
