|
Генетическая структура — соотношение в популяции различных генотипов и аллелей. Совокупность генов всех особей
популяции называют генофондом. Генофонд характеризуют частоты аллелей и генотипов. Частота аллеля — это его доля во всей совокупности аллелей данного гена. Сумма частот всех аллелей равна единице:
р + q = 1,
где р — доля доминантного аллеля (A); q — доля рецессивного аллеля (а).
Зная частоты аллелей, можно вычислить частоты генотипов в популяции:
(р + q)2=p2+ 2pq + q2 = 1,
где р и q — частоты доминантного и рецессивного аллелей соответственно, р2 — частота гомозиготного доминантного генотипа (АА), 2pq — частота гетерозиготного генотипа (Аа), q2 — частота гомозиготного рецессивного генотипа (аа).
Согласно закону Харди — Вайнберга, относительные частоты аллелей в популяции остаются неизменными из поколения в поколение. Закон Харди — Вайнберга справедлив, если соблюдаются следующие условия: 1) популяция велика; 2) в популяции осуществляется свободное скрещивание; 3) отсутствует отбор; 4) не возникает новых мутаций; 5) нет миграции новых генотипов в популяцию или из популяции.
Очевидно, что популяций, удовлетворяющих этим условиям в течение длительного времени, в природе не существует. На популяции всегда действуют внешние и внутренние факторы, нарушающие генетическое равновесие. Длительное и направленное изменение генетического состава популяции, ее генофонда получило название элементарного эволюционного явления. Без изменения генофонда популяции невозможен эволюционный процесс.
5.3. Динамические показатели популяции
Ж
Для характеристики динамических показателей популяции используют следующие обозначения:
N — число организмов;
t — время;
AN / At — средняя абсолютная (общая) скорость изменения числа организмов за определенный период времени;
(AN/ At) / N — средняя удельная скорость изменения числа организмов в расчете на 1 особь за определенный период времени.
При математическом моделировании в экологии часто необходимо знать не только среднюю скорость, но и мгновенную скорость изменения числа организмов в тот или иной момент времени (за бесконечно малый промежуток времени). Когда At стремится к нулю (At —> О) символ А заменяют на d. Тогда
dN / dt — мгновенная абсолютная (общая) скорость изменения числа организмов за единицу времени в некоторый момент;
(dN / dt) / (N) — мгновенная удельная скорость изменения числа организмов в расчете на 1 особь за единицу времени в некоторый момент.
Таким образом, скорость рождаемости, скорость смертности и скорость роста популяции могут быть средними и мгновенными. Далее по тексту подразумевается мгновенная скорость, однако слово «мгновенная» сознательно опущено, чтобы не перегружать текст.
Рождаемость (скорость рождаемости) — число новых особей, появившихся в популяции за единицу времени в результате размножения.
Различают максимальную и фактическую рождаемость. Максимальная рождаемость — максимальная реализация возможности рождения при отсутствии лимитирующих факторов среды. Фактическая рождаемость — реальная реализация возможности рождения.
Различают абсолютную и удельную рождаемость. Абсолютная (общая) рождаемость, или скорость рождаемости, выражают отношением:
dN / dt,
П ' ’
где dNn — число особей (яиц, семян и т. п.), родившихся (отложенных, продуцированных и т. д.) за некоторый промежуток времени dt.
Щ Удельная рождаемость (Ь) — отношение скорости рождаемости к исходной численности (N):
Ъ = (dNJ dt) / N.
Эта величина зависит от интенсивности размножения особей: для бактерий — час, для фитопланктона — сутки, для насекомых — неделя или месяц, для крупных млекопитающих — год.
Смертность (скорость смертности) — число особей, погибших в популяции за единицу времени (ог хищников, болезней, старости и других причин). Смертность — величина
обратная рождаемости.
Различают минимальную и фактическую смертность. Минимальная смертность — минимально возможная величина смертности. Фактическая смертность — реальная величина смертности.
Различают абсолютную и удельную смертность. Абсолютная (общая) смертность, или скорость смертности, выражают отношением:
dN / dt,
m' ?
где dNm — число особей, погибших за промежуток времени dt.
Удельная смертность (d) — отношение скорости смертности к исходной численности (N):
d=(dNJdf)//N.
Скорость роста популяции — изменение численности популяции за единицу времени. Скорость роста популяции может быть положительной, нулевой и отрицательной. Она зависит от показателей рождаемости, смертности и миграции (вселения — иммиграции и выселения — эмиграции). Увеличение (прибыль) численности происходит в результате рождаемости и иммиграции особей, а уменьшение (убыль) численности — в результате смертности и эмиграции особей.
Различают абсолютную и удельную скорость роста популяции.
Абсолютная (общая) скорость роста выражают отношением:
dN/ dt,
где dN — изменение численности популяции за промежуток времени dt.
Удельная скорость роста — отношение скорости роста к исходной численности (N):
(dN / dt) / N.
При отсутствии лимитирующих факторов среды удельная скорость роста равна величине г, которая характеризует свойства самой популяции и называется удельной (врожденной) скоростью роста популяции или биотическим потенциалом вида.
г = (dN / dt) / N или dN/ dt = rN.
Величина биотического потенциала очень различается у разных видов. Например, самка косули способна произвести за жизнь 10—15 козлят, трихина отложить 1,8 тыс. личинок, самка медоносной пчелы — 50 тыс. яиц, рыба-луна — до 3 млрд икринок.
Однако в природе, в связи с действием лимитирующих факторов, биотический потенциал популяции никогда не реализуется полностью. Его величина обычно складывается как разность между рождаемостью и смертностью в популяции:
г — b — d,
где b — число родившихся, d — число погибших особей в популяции за один и тот же период времени.
Когда b — d, г = 0 и популяция находится в стационарном состоянии. Когда Ъ > d, г > 0, численность популяции увеличивается. Когда b < d, г < 0, численность популяции сокращается. Формула d = Ъ — г позволяет определить смертность, которую трудно измерить непосредственно, а определить г достаточно просто непосредственными наблюдениями.
Скорость роста может быть выражена в виде кривой роста популяции (рис. 13). Существуют две основные модели роста популяции: J-образная и S-образная.
J-образная кривая отражает неограниченный экспоненциальный рост численности популяции, не зависящий от плотности популяции. Такой тип роста возможен пока биотический потенциал популяции (г) реализуется полностью. Это продолжается, пока Низка конкуренция за ресурсы. Однако после превышения емкости среды (предельной плотности насыщения, предельной численности) (К), произойдет резкое снижение численности.
S-образная (сигмоидная, логистическая) кривая отражает логистический тип роста, зависящего от плотности популяции, при котором скорость роста популяции снижается по мере роста численности (плотности). Скорость роста снижается вплоть до нуля при достижении предельной численности.
J-образная кривая (рост, не зависящий от плотности) | S-образная (логистическая) кривая (рост, зависящий от плотности) |
dN/dt = rN | dN/dt = rN (K-N) /К |
где N — численность популяции; t — время; г — удельная (врожденная) скорость роста популяции; К — максимальное число организмов, которое может поддерживаться в данных условиях среды. | |
Если г положительно, численность популяции увеличивается экспоненциально. Если г отрицательно, численность популяции уменьшается экспоненциально. Отсюда быстрое увеличение и падение численности популяции. Скорость роста каждого организма не зависит от плотности популяции. Размеры популяции не стабилизируются | Если N> К, скорость роста отрицательна. Если К> N, скорость роста положительна, то величина популяции стремится к К = N, т.е. приводится соответствие с поддерживающей емкостью среды. Когда К = N, скорость роста популяции равна нулю. Размеры популяции остаются постоянными. |
Таблица 14 |
5.4. Экологические стратегии выживания популяций
Продолжительность жизни — длительность существования особи. Она зависит от генотипических и фенотипических факторов. Различают физиологическую, максимальную и среднюю продолжительность жизни. Физиологическая продолжительность жизни (ФПЖ) — это продолжительность жизни, которая могла бы быть у особи данного вида, если бы в период всей жизни на нее не оказывали влияние лимитирующие факторы. Она зависит только от физиологических (генетических) возможностей организма и возможна только теоретически. Максимальная продолжительность жизни (МПЖ) — это продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды. Она варьирует в широких пределах: от нескольких минут у бактерий до нескольких тысячелетий у древесных растений (секвойя). Обычно, чем крупнее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни, хотя бывают и исключения (летучие мыши доживают до 30 лет, это дольше, например, жизни медведя). Средняя продолжительность жизни (СПЖ) — это среднее арифметическое продолжительности жизни всех особей популяции. Она значительно колеблется в зависимости от внешних условий, поэтому для сравнения продолжительности жизни разных видов чаще используют генетически детерминированную МГІЖ.
Выживаемость — абсолютное число особей (или процент от исходного числа особей), сохранившихся в популяции за определенный промежуток времени.
Z= n / N• 100%,
где Z — выживаемость, %; п — число выживших; N — исходная численность популяции.
Выживаемость зависит от ряда причин: возрастного и полового состава популяции, действия тех или иных факторов среды и др. Выживаемость можно выразить в виде таблиц и кривых выживания. Таблицы выживания (демографические таблицы) и кривые выживания отражают, как по мере старения снижается численность особей одного возраста в популяции. Кривые выживания строятся по данным таблиц выживания.
120__________________ ЧАСТЬ II. ОБЩАЯ ЭКОЛОГИЯ_______________________
Различают три основных типа кривых выживания (рис. 14). Кривая I типа свойственна организмам, смертность которых на протяжении всей жизни мала, но резко возрастает в ее конце (например, насекомые, погибающие после кладки яиц, люди в развитых странах, некоторые крупные млекопитающие). Кривая II типа характерна для видов, у которых смертность остается примерно постоянной в течение всей жизни (например, птицы, пресмыкающиеся). Кривая III типа отражает массовую гибель особей в начальный период жизни (например, многие рыбы, беспозвоночные, растения и другие организмы, не заботящиеся о потомстве и выживающие за счет огромного количества икринок, личинок, семян и т. п.). Встречаются кривые, сочетающие черты основных типов (например, у людей, живущих в отсталых странах, и некоторых крупных млекопитающих, кривая I вначале имеет резкое падение в связи с большой смертностью сразу после рождения).
Комплекс свойств популяции, направленных на повышение вероятности выживания и оставление потомства, называ-
Дрозофила
Гидра
Устрица
Время (t)
Рис. 14. Кривые выживания:
I — кривая дрозофилы; II — кривая гидры; III — кривая устрицы (по Ф. Дрё, 1976)
ется экологической стратегией выживания. Это общая характеристика роста и размножения. Сюда входят темпы роста особей, время достижения половозрелости, плодовитость, периодичность размножения и т.д.
Так, А.Г. Раменский (1938) различал три основные типа стратегий выживания среди растений: виоленты, патиенты и эксплеренты. Виоленты (силовики) — подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса. Патиенты — виды, способные выжить в неблагоприятных условиях («тенелюбивые», «солелюбивые» и т. п.). Эксплеренты (наполняющие) — виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества, — на вырубках и гарях, на отмелях и т.д.
Экологические стратегии популяций отличаются большим разнообразием. Но при этом все их многообразие заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и А'-страте гия.
г-стратеги (г-виды, г-популяции) — популяции из быстро размножающихся, но менее конкурентоспособных особей. Имеют /-образную кривую роста численности, не зависящую от плотности популяции. Такие популяции быстро расселяются, но они малоустойчивы. К ним относятся бактерии, тли, однолетние растения и др. (табл. 15).
К-стратеги (К-виды, К-популяции) — популяции из медленно размножающихся, но более конкурентоспособных особей. Имеют ^-образную кривую роста численности, зависящую от плотности популяции. Такие популяции населяют стабильные местообитания. К ним относятся человек, кондор, деревья и др. (табл. 15).
Следует отметить, что одну и ту же среду обитания разные популяции могут использовать по-разному, поэтому в одном и том же местообитании могут сосуществовать виды с г- и /^-стратегиями. Между этими крайними стратегиями существуют переходы. Ни один из видов не подвержен только г- или только /Г-отбору.
г-в иды (виды-«оппортунисты») | ЛГ-виды (с тенденцией к равновесию) |
Размножаются быстро (высокая плодовитость, время генерации короткое), поэтому значение г (врожденная скорость роста популяции) высокое | Размножаются медленно (низкая плодовитость, продолжительное время генерации), поэтому значение г низкое |
Скорость размножения не зависит от плотности популяции | Скорость размножения зависит от плотности популяции, быстро увеличивается, если плотность падает |
Энергия и вещество распределяются между многими потомками | Энергия и вещество концентрируются в немногих потомках; родители заботятся о потомстве |
Размеры популяции некоторое время могут превышать К (поддерживающую емкость среды) | Размеры популяции близки к равновесному уровню, определяемому К |
Вид не всегда устойчив на данной территории | Вид устойчив на данной территории |
Расселяются широко и в больших количествах; у животных может мигрировать каждое поколение | Расселяется медленно |
Размножение идет с относительно большими затратами энергии и вещества | Размножение идет с относительно малыми затратами энергии и вещества: большая часть энергии и вещества расходуется на непродуктивный (вегетативный) рост |
Малые размеры особей | Крупные размеры особей; у растений деревянистые стебли и большие корни |
Малая продолжительность жизни особи | Большая продолжительность жизни особи |
Могут поселяться на открытых местах | Плохо приспособлены к росту на открытых местах |
Местообитания сохраняются недолго (например, зрелые фрукты для личинок дрозофилы) | Местообитания устойчивые и сохраняются долго (например, лес для обезьян) |
Слабые конкуренты (способность к конкуренции не требуется) | Сильные конкуренты |
Защитные приспособления развиты сравнительно слабо | Хорошие защитные механизмы |
Не становятся доминантами | Могут становиться доминантами |
Лучше приспособлены к изменениям окружающей среды (менее специализированные) | Менее устойчивы к изменениям условий среды (высокая специализация для жизни в устойчивых местообитаниях) |
Примеры: бактерии, парамеция, тли, мучные хрущаки, однолетние растения | Примеры: крупные тропические бабочки, кондор, альбатрос, человек, деревья |
Таблица 15 |
тщ
5.5. Регуляция численности (плотности) популяции
Гомеостаз популяции — поддержание определенной численности (плотности). Изменение численности зависит от целого ряда факторов среды — абиотических, биотических и антропогенных. Однако всегда можно выделить ключевой фактор, наиболее сильно влияющий на рождаемость, смертность, миграцию особей и т. д. На рис. 15 представлена схема поддержания гомеостаза популяции животных, где ключевым регулирующим факторов является доступность пищевых ресурсов. При повышении плотности популяции усиливаются механизмы, снижающие ее плотность, и наоборот.
Рис. 15. Гомеостаз в популяции животных, регулируемый доступностью пищевых ресурсов (И.И. Дедю, 1989) |
Факторы, регулирующие плотность популяции, делятся на зависимые и независимые от плотности. Зависимые от плотности факторы изменяются вместе с изменением плотности, к ним относятся биотические факторы. Независимые от плотности факторы остаются постоянными с изменением плотности, это абиотические факторы.
Популяции многих видов организмов способны к саморегуляции своей численности. Выделяют три механизма торможения роста численности популяций: 1) при возрастании плотности повышается частота контактов между особями, что вызывает у них стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность; 2) при возрастании плотности усиливается эмиграция в новые местообитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны и смертность увеличивается; 3) при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции, например, быстро размножающиеся особи заменяются медленно размножающимися.
Понимание механизмов регуляции численности популяций чрезвычайно важно для возможности управления этими процессами. Деятельность человека часто сопровождается сокращением численности популяций многих видов. Причины этого в чрезмерном истреблении особей, ухудшении условий жизни вследствие загрязнения окружающей среды, беспокойства животных, особенно в период размножения, сокращение ареала и т.д. В природе нет и не может быть «хороших» и «плохих» видов, все они необходимы для ее нормального развития. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения биологического разнообразия. Сокращение генофонда живой природы может привести к трагическим последствиям. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) издает «Красную книгу», где регистрирует следующие виды: исчезающие, редкие, сокращающиеся, неопределенные и «черный список» безвозвратно исчезнувших видов.
В целях сохранения видов человек использует различные способы регулирования численности популяции: правильное ведение охотничьего хозяйства и промыслов (установление сроков и угодий охоты и отлова рыбы), запрещение охоты на некоторые виды животных, регулирование вырубки леса и др.
В то же время деятельность человека создает условия для появления новых форм организмов или развития старых видов, к сожалению, часто вредных для человека: болезнетвор-
ных микроорганизмов, вредителей сельскохозяйственных куль-
тур и т.д.-
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое популяция? Как их классифицируют?
2. Назовите свойства, присущие популяциям как групповым объединениям.
3. В чем отличие статических и динамических показателей популя-
ции?
4. Что такое численность и плотность популяции?
5. Охарактеризуйте основные типы структуры популяций.
6: Охарактеризуйте рождаемость, смертность и скорость роста попу-
ляции.
7. В чем отличия двух основных моделей роста популяции: J-образ-
ной и S-образной кривых роста?
8. Как рассчитывают выживаемость? Опишите основные три типа кривых выживаемости.
9. Что такое экологическая стратегия выживания?
10. Проведите сравнительную характеристику г- и А'-стратегий.
11. Что понимают под гомеостазом популяции?
12. Приведите примеры зависимых и независимых от плотности факторов, регулирующих плотность популяции.
13. Опишите три механизма торможения роста численности популяций.
14. Какие способы регулирования численности популяции использует человек? I
ЛИТЕРАТУРА
1. Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества / Пер. с англ. М.: Мир, 1989. Т. 1-2.
2. Гиляров А.М. Популяционная экология. М.: Изд. МГУ, 1990.
3. Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н.В. Очерк уче-
ния о популяции. М.: Наука, 1973.
4. Общая экология: Учебник для вузов / Автор-составитель А.С. Сте- пановских. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000.
5. Одум Ю. Экология / Пер. с англ. Т. 1-2. М.: Мир, 1996.
6. Чернова Н.М., Былова А.М. Экология: Учебн. пособие для студентов. М.: Просвещение, 1988.
'•
Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определенных отношениях, образуя тем самым, так называемые, экологические системы. Биоценоз — совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории. Растительный компонент биоценоза называют фитоценозом, животный — зооценозом, микробный —■ микробоценозом. Ведущим компонентом в биоценозе является фитоценоз. Он определяет, каким будет зооценоз и микробоценоз. Биотоп — определенная территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва). Биогеоценоз — совокупность биоценоза и биотопа (рис. 16). Экосистема (экологическая система) — система совместно обитающих живых организмов и условий их существования, связанных потоком энергии и круговоротом веществ (рис. 17). Термин «экосистема» был предложен английским ученым А. Тенсли (1935), а термин «биогеоценоз» — российским ученым В.Н. Сукачевым (1942). «Экосистема» и «биогеоценоз» — понятия близкие, но не синонимы. Биогеоценоз — это экосистема в границах фитоценоза. Экосистема — понятие более общее. Каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз. Единая экосистема нашей планеты называется биосферой. Биосфера — экосистема высшего порядка.
6.1. Структура биоценоза
Различают видовую, пространственную и экологическую структуры биоценоза. I
Видовая структура — число видов, образующих данный биоценоз, и соотношение их численности или массы. То есть
снобом лесу можно выделить синузию сосны, синузию брусники, синузию зеленых мхов и т. д. Парцелла — структурная часть в горизонтальном расчленении биоценоза, отличающаяся от других частей составом и свойствами компонентов. Парцеллу выделяют (ограничивают) по ведущему элементу растительности. Например, участки широколиственных деревьев в хвойном лесу.
6.2. Местообитание и экологическая ниша
Любая популяция (вид) занимает определенное местообитание и определенную экологическую нишу.
Местообитание — это территория или акватория, занимаемая популяцией (видом), с комплексом присущих ей экологических факторов. Местообитание вида является компонентом его экологической ниши. Применительно к наземным животным местообитание вида называется стация, местообитание сообщества — биотоп.
Экологическая ниша — совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. То есть экологическая ниша — это место вида в природе, включающее не только его положение в пространстве и отношение к абиотическим факторам, но и его функциональную роль в сообществе (прежде всего трофический статус). Местообитание — это как бы «адрес» организма, а экологическая ниша — это его «профессия».
Для характеристики экологической ниши обычно используют два важных показателя: ширина ниши и степень перекрывания ее с соседними. Экологические ниши разных видов могут быть разной ширины и перекрываться в различной степени.
Разделение экологических ниш между видами происходит за счет приуроченности разных видов к разным местобитани- ям, разной пищи и разному времени использования одного и того же местообитания. Принцип конкурентного исключения (принцип Гаузе) гласит: «Два вида не могут сосуществовать в одной и той же местности, если их экологические потребности идентичны. Такие виды обязательно должны быть разобщены в пространстве или во времени».
Группы видов в сообществе, обладающие сходными функциями и нишами одинакового размера, то есть роль которых в сообществе одинакова или сравнима, называются гильдиями. Например, лианы тропического леса представлены многими видами растений. Между видами внутри гильдии наблюдается особенно острая конкуренция.
Виды, занимающие одинаковые ниши в разных географических областях, называются экологическими эквивалентами. Например, крупные кенгуру Австралии, бизоны Северной Америки, зебры и антилопы Африки и т. д. являются экологическими эквивалентами. В настоящее время они значительно замещены коровами и овцами.
6.3. Типы связей и взаимоотношений между организмами
Типы связей между организмами. Живые организмы определенным образом связаны друг с другом. Различают следующие типы связей между видами: трофические, топические, форические, фабрические. Наиболее важными являются трофические и топические связи, так как именно они удерживают организмы разных видов друг возле друга, объединяя их в сообщества.
Трофические связи возникают между видами, когда один вид питается другим: живыми особями, мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности. Трофическая связь может быть прямой и косвенной. Прямая связь проявляется при питании львов живыми антилопами, гиен трупами зебр, жу- қов-навозников пометом крупных копытных и т.д. Косвенная связь возникает при конкуренции разных видов за один пищевой ресурс.
Топические связи проявляются в изменении одним видом условий обитания другого вида. Например, под хвойным лесом, как правило, отсутствует травянистый покров.
Форические связи возникают, когда один вид участвует в распространении другого вида. Перенос животными семян, спор, пыльцы растений называется зоохория, а мелких особей — форезия.
Фабрические связи заключаются в том, что один вид ис- вользует для своих сооружений продукты выделения, мертвые
Г* А Л Т> Л / OVA А Л\ГТ/(Т Т, „ ______
D. Дки/Ші У1Л LUUD14CL1J п i (СИНЭКОЛОГИЯ) 133
остатки или даже живых особей другого вида. Например, птицы при постройке гнезд используют ветки деревьев, траву, пух
и перья других птиц.
Типы отношений между организмами. Воздействие одного вида на другой может быть положительным, отрицательным и нейтральным. При этом возможны разные комбинации типов воздействия. Различают нейтрализм, протокооперацию, мутуализм, комменсализм, хищничество, паразитизм, конкуренцию, аменсализм.
Дата добавления: 2015-09-29; просмотров: 23 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |