Хід заняття. Тема: Динаміка коливання чисельності популяцій

Тема: Динаміка коливання чисельності популяцій. Поняття про середовище існування, шляхи пристосувань до нього організмів. Біологічні адаптивні рівні організмів

Мета: сформувати поняття про динаміку коливання чисельності популяцій; середовище існування, шляхи пристосувань до нього організмів; біологічні адаптивні рівні організмів

Хід заняття

1. Поняття чисельності популяцій

Чисельність популяції - загальна кількість особин енної виду, присутнє на тій чи іншій території. Наприклад, популяція уссурійського тигра налічує близько 300 особин, ладозької нерпи - близько 10 тис., азіатського лева - близько 70 особин, зубрів - близько 2 тис.

Чисельність популяції - важлива екологічна характеристика популяції. Число особин у популяції має величезне еволюційне значення. Але важлива не загальна чисельність особин у популяції, а ефективна чисельність - репродуктивна чисельність - та частина популяції, яка формує генофонд наступного покоління (генетично ефективна величина).

Для людини ефективна чисельність дорівнює 45, для домової миші - 10, для комара аедес і дрозофіли - 500, для молюска Ціпі немораліс - 230, для мокриці (сухопутної раку) - 19 особин.

Після досягнення заключної фази зростання розміри популяції продовжують коливатися від покоління до покоління навколо якоїсь більш-менш постійної величини. При цьому чисельність одних видів змінюється нерегулярно з великою амплітудою коливань (комахи-шкідники, бур'яни), коливання чисельності інших (наприклад, дрібних ссавців) мають відносно постійний період, а в популяціях третього видів чисельність коливається від року до року незначно (довгоживучі великі хребетні і деревні рослини).

У природі в основному зустрічаються три види кривих зміни чисельності популяції: відносно стабільний, стрибкоподібний і циклічний Види, у яких кількість з року в рік знаходиться на рівні підтримуючої ємності середовища, мають досить стабільні популяції. Така сталість характерно для багатьох видів дикої природи і зустрічається, наприклад, в незайманих тропічних вологих лісах, де середньорічна кількість опадів і температура змінюються з кожним днем ​​і з року в рік вкрай мало.

В інших видів коливання чисельності популяцій носять правильний циклічний характер.

Ряд видів, таких, як єнот, в основному мають досить стабільні популяції, проте час від часу їх чисельність різко зростає (підскакує) до найвищого значення, а потім різко падає до деякого низького, але відносно стабільного рівня. Ці види відносять до популяцій із стрибкоподібним зростанням чисельності Раптове збільшення чисельності відбувається при тимчасове підвищення ємності середовища для даної популяції і може бути пов'язане з поліпшенням кліматичних умов (факторів) і харчування або різким зменшенням чисельності хижаків (включаючи мисливців). Після перевищення нової, більш високої ємності середовища в популяції зростає смертність і її розміри різко скорочуються.

Протягом історії в різних країнах не раз спостерігалися випадки краху популяцій людини, наприклад, в Ірландії в 1845 р., коли в результаті зараження грибком загинув весь урожай картоплі. Оскільки раціон харчування ірландців сильно залежав від картоплі, до 1900 р. половина восьмимільйонний населення Ірландії померла від голоду або емігрувала в інші країни.

Тим не менш чисельність людства на Землі в цілому і в багатьох регіонах зокрема продовжує зростати. Люди шляхом технологічних, соціальних і культурних змін неодноразово збільшували для себе підтримуючу ємність планети. По суті, вони змогли змінити свою екологічну нішу за рахунок збільшення виробництва продуктів харчування, боротьби з хворобами і використання великих кількостей енергетичних і матеріальних ресурсів, щоб зробити зазвичай непридатні для життя райони Землі жилими.

Сучасна концепція автоматичного регулювання чисельності популяцій базується на поєднанні двох принципово різних явищ: модифікацій, або випадкових коливань чисельності, та регуляцій, які діють за принципом кібернетичної зворотного зв'язку і нівелюють коливання. Відповідно до цього виділяють модифікуючі (незалежні від щільності популяції) і регулюючі (залежні від щільності популяції) екологічні фактори, причому перші з них впливають на організми або безпосередньо, або через зміни інших компонентів біоценозу. По суті, модифікуючі фактори являють собою різні абіотичні чинники. Регулюючі чинники пов'язані з існуванням та активністю живих організмів (біотичні фактори), оскільки лише живі істоти здатні реагувати на щільність своєї популяції і популяцій інших видів за принципом негативного зворотного зв'язку. Якщо впливу модифікуючих факторів призводять лише до перетворень (модифікаціям) коливань чисельності, не усуваючи їх, то регулюючі чинники, вирівнюючи випадкові відхилення, стабілізують (регулюють) чисельність на певному рівні. Проте на різних рівнях чисельності популяції регулюючі чинники принципово різні. При досягненні популяцією жертви ще більш високої чисельності створюються умови для поширення хвороб і, нарешті, граничний фактор регуляції - внутрішньовидова конкуренція, яка веде до вичерпання доступних ресурсів і розвитку стресових реакцій в популяції жертви.

Таким чином, щоб отримати вичерпну інформацію про те, які фактори викликають коливання чисельності, теоретично потрібні дані про фізико-хімічних умовах, забезпеченості ресурсами, життєвому циклі цих організмів та вплив конкурентів, хижаків, паразитів і т.д., причому потрібно знати, як всі ці фактори впливають на народжуваність, смертність і міграцію.

Загальна зміна чисельності природної популяції визначається такими процесами, як народжуваність, смертність та міграція особин.

Народжуваність розрізняють абсолютну і питому. Абсолютна народжуваність - це кількість нових особин, що з'явилися за одиницю часу, а питома - те ж саме кількість, але віднесене до певного числа особин. Наприклад, показником народжуваності людини служить число дітей, народжених на 1000 чоловік протягом року. Народжуваність визначається багатьма чинниками: умовами середовища, наявністю їжі, біологією виду (швидкість статевого дозрівання, кількість генерацій протягом сезону, співвідношення самців і самок в популяції). Згідно з правилом максимальної народжуваності (відтворення) в ідеальних умовах у популяціях з'являється максимально можливу кількість нових особин; народжуваність обмежується фізіологічними особливостями виду.

Смертність, як і народжуваність, буває абсолютної (кількість особин, які загинули за певний час), так і питомої. Вона характеризує швидкість зниження чисельності популяції від загибелі через хвороби, старості, хижаків, нестачі корму, і грає головну роль у динаміці чисельності популяції.

Розрізняють три типи смертності: однаковий на всіх стадіях розвитку - зустрічається рідко, в оптимальних умовах; підвищена смертність в ранньому віці - характерна для більшості видів рослин і тварин (у дерев до віку зрілості доживає менше 1% сходів, у риб - 1-2% мальків, у комах - менше 0,5% личинок); висока смерть у старості - зазвичай спостерігається у тварин, чиї личинкові стадії проходять в сприятливих мало змінюються умовах: грунті, деревині, живих організмах.

2. Коливання чисельності популяцій

При сприятливих умовах у популяціях спостерігається зростання чисельності і може бути настільки стрімким, що призводить до популяційному вибуху. Сукупність усіх факторів які сприяють зростанню чисельності називається біотичних потенціалом. Він досить високий для різних видів, але ймовірність досягнення популяцією межі чисельності в природних умовах низька, так як цьому протистоять лімітуючі (обмежують) чинники. Сукупність факторів, що лімітують зростання чисельності популяції, називають опором середовища. Стан рівноваги між біотичних потенціалом виду і опором середовища підтримує сталість чисельності популяції отримало назву гомеостазу або динамічної рівноваги. При порушенні його відбуваються коливання чисельності популяції, тобто її зміни.

Розрізняють періодичні і неперіодичні коливання чисельності популяцій. Перші здійснюються протягом сезону або кількох років (4 роки - періодичний цикл плодоношення кедра, підйому чисельності лемінга, песця, полярної сови; через рік плодоносять яблуні на садових ділянках), другі - це спалаху масового розмноження деяких шкідників корисних рослин, при порушеннях умов середовища проживання (посухи, незвично холодні або теплі зими, занадто дощові сезони вегетації), непередбачені міграції в нові місця проживання. Періодичні та неперіодичні коливання чисельності популяцій під впливом біотичних і абіотичних факторів середовища, властиві всім популяціям, іменуються популяційними хвилями.

Будь-яка популяція володіє суворо певною структурою: генетичної, статево-віковою, просторової та ін, але вона не може складатися з меншої кількості особин, ніж необхідно для стабільного розвитку та стійкості популяції до факторів зовнішнього середовища. У цьому полягає принцип мінімального розміру популяцій. Небажані будь-які відхилення параметрів популяцій від оптимальних, але якщо надмірно високі значення їх не представляють прямої небезпеки для існування виду, то зниження до мінімального рівня, особливо чисельності популяції, представляють загрозу для вигляду.

Однак поряд з принципом мінімального розміру популяцій є і принцип (правило) популяційного максимуму. Воно полягає в тому, що популяція не може збільшуватися нескінченно. Лише теоретично вона здатна до необмеженого росту чисельності.

Відповідно до теорії Х.Г. Андреварти - Л.К. Бірча (1954) - теорія лімітів популяційної чисельності, - чисельність природних популяцій обмежена виснаженням харчових ресурсів та умов розмноження, недоступністю цих ресурсів, занадто коротким періодом прискорення росту популяції. Теорія "лімітів" доповнюється теорією біоценотіческій регуляції чисельності популяції К. Фредерікса (1927): зростання чисельності популяції обмежується впливом комплексу абіотичних і біотичних факторів середовища.

Чинники чи причини коливання чисельності:

- достатні запаси їжі та її недолік;

- конкуренція декількох популяцій із-за однієї екологічної ніші;

- взаємини між популяціями хижака і жертви, господаря і паразита;

- зовнішні (абіотичні) умови середовища: гідротермічний режим, освітленість, кислотність, аерація та ін

Крім екологічних чинників, включаються внутрішні (генетичні та фізіологічні) механізми регулювання чисельності популяцій: при скороченні життєвого простору і запасів корму скорочується плодючість особин (багато комахи, мишоподібні гризуни), підвищення смертності на ранніх стадіях життя (паразити, багато комах), затримується настання статевої зрілості (польові миші) і стадії плодоношення (види дерев 2 і 3 ярусів в густому лісі), має місце канібалізм (гризуни, комахи, риби), та ін; знижується вихід личинок з яєць (травневий Хрущак), зменшуються розміри дорослих особин. При надмірному зростанні чисельності популяції у ссавців, громадських комах, птахів починається еміграція на нові місця.

Флуктуації (відхилення) чисельності викликаються самими різними причинами. І вони не завжди однакові для різних видів. Періодичні коливання чисельності популяцій, що мають 10-11-річний період, пояснюються періодичністю активності Сонця: кількість плям на Сонці змінюється з періодом в 11 років. Кількість корму є причина флуктуації у сибірського шовкопряда: він дає спалах після сухого теплого літа. Може викликати спалах чисельності і збіг багатьох обставин. Наприклад, біля берегів Флориди спостерігаються "червоні припливи". Вони неперіодичних і для їх прояву необхідні такі події: рясні зливи, змиваючі з суші мікроелементи (залізо, цинк, кобальт - їх концентрація повинна збігатися до десятитисячний частки відсотка), знижена солоність поди, певна температура і безвітря біля берега. За таких умов водорості дінофлагелляти починають інтенсивно ділитися. Теоретично з однієї одноклітинної дінофлагелляти в результаті 25 послідовних поділів можуть відбутися 33 млн. особин. Вода від них стає червоною. Дінофлагелляти виділяють у воду смертоносну отруту, що викликає параліч, а потім загибель риби та інших мешканців моря.

Людина може своєю діяльністю викликати спалах чисельності деяких популяцій. Результатом антропічний впливу є зростання чисельності сисних комах (попелиць, клопів та ін) після обробки полів інсектицидами, які знищують їх ворогів. Дякуючи людині кролики і кактус опунція в Австралії, хатні горобці і непарний шовкопряд у Північній Америці, колорадський жук і філоксера в Європі, канадська елодея, американська норка і ондатра в Євразії дали неймовірні спалахи чисельності після потрапляння на ці нові для них території, де не було їх ворогів.

Різкі неперіодичні коливання чисельності можуть виникати внаслідок природних катастроф. Наприклад, на згарищах звичайні спалахи чисельності іван-чаю і пов'язаного з ним спільноти комах. Багаторічна посуха перетворює болото в луг і викликає зростання чисельності членів біоценозу луки.

"Хвилі життя" зникають за рахунок появи великої кількості хижаків, паразитів, виникнення епізоотії, зміни абіотичних умов.

Еволюційне значення популяційних хвиль в тому, що вони:

- змінюють частоти алелів (нечисленні на піку хвилі можуть проявитися фенотипічно, а на спаді - зникнути з генофонду);

- на піку хвилі ізольовані популяції зливаються, зростає міграція та панміксія, зростає гетерогенність генофонду;

- популяційні хвилі змінюють інтенсивність природного добору, і його напрям.

Контрольні запитання:

1. Що таке чисельність популяції?

2. Що впливає на чисельність популяції?

3. Що таке «хвилі життя»?

Література:

1. Короткий курс загальної екології. Навчальний посібник. А.К. Бродський, СПб, "Деан", 2006, - 1677 с.

2. Основи загальної екології. Підручник. Воронков Н.А. М.: "Агар", 2007, - 218 с.

3. Екологія. Підручник. Стадницький Г.В., Родіонов А.І. СПб.: "Хімія", 2005, - 256 с

4. Екологія. Підручник для вузів. Коробкін В.І., Передільське Л.В. М:, 2008, - 576 с.

Дата добавления: 2015-07-20