Структура и свойства популяций

Показатели структуры популяций. Как первая надорганизмен-ная биологическая система, популяция обладает определенной структурой и свойствами. Структуру популяции отражают такие ее показатели, как численность и распределение особей в пространстве, соотношение групп по полу и возрасту, их морфологические, поведенческие и другие особенности.

Численность — общее количество особей в популяции. Эта величина характеризуется широким диапазоном изменчивости, однако она не может быть ниже некоторых пределов. Сокращение численности по сравнению с этими пределами может привести к вымиранию популяции. Полагают", что если численность популяции меньше нескольких сотен особей, то любые случайные причины (пожар, наводнение, засуха, обильные снегопады, сильные морозы и т. д.) могут сократить ее настолько, что оставшиеся особи не смогут встречаться и оставить потомство. Рождаемость перестанет покрывать естественную убыль, и оставшиеся особи в течение сравнительно короткого времени вымрут.

Плотность — число особей на единицу площади или объема. При увеличении численности плотность популяции, как правило, возрастает; она остается прежней лишь в случае ее расселения и расширения ареала. У некоторых животных плотность популяции регулируется сложными поведенческими и физиологическими механизмами.

Пространственная структура популяции характеризуется особенностями размещения особей на занимаемой территории. Она определяется свойствами местообитания и биологическими особенностями вида. Наряду со случайным и равномерным распределением в природе наиболее часто встречается групповое распределение. Группа животных, прилагая совместные усилия, может легче защищаться от хищников, искать и добывать корм. Жизнь в семьях, стадах, колониях, гаремах приводит также к групповому распределению особей. Пространственная структура может изменяться во времени; она зависит от сезона года, от численности популяции, возрастной и половой структуры и т. д.

Половая структура отражает определенное соотношение мужских и женских особей в популяции. Генетический механизм определения пола обеспечивает расщепление потомства по полу в соотношении 1: 1. В силу разной жизнеспособности мужских и женских особей это первичное соотношение полов при оплодотворении часто заметно отличается от вторичного (при рождении — у млекопитающих) и тем более от третичного, характерного для половозрелых особей. Например, в популяциях человека вторичное соотношение полов составляет 100 девочек/106 мальчиков; к 16—18 годам это соотношение выравнивается и становится равным 1:1, к 50 годам— 100 женщин/85 мужчин, а к 80 годам соотношение по полу становится 2:1 (100 женщин/ 50 мужчин).

Изменение половой структуры популяции отражается на ее роли в экосистеме, так как самцы и самки многих видов отличаются друг от друга по характеру питания, ритму жизни, поведению и др. Так, самки некоторых видов комаров, клещей и мошек являются кровососущими, в то время как самцы питаются соком растений или нектаром. Преобладание доли самок над самцами обеспечивает более интенсивный рост популяции.

Возрастная структура отражает соотношение различных возрастных групп в популяциях, зависящее от продолжительности жизни, времени наступления половой зрелости, числа потомков в помете, количества потомств за сезон и др. Если какая-либо возрастная группа сокращается либо увеличивается, это сказывается на общей численности популяции. Например, массовое истребление крупных половозрелых особей в результате промысла приводит к резкому снижению численности популяции вследствие слабого пополнения ее молодыми особями. Поэтому присутствие в популяции большого количества особей младших возрастных групп свидетельствует о ее благополучии. Если же в популяции преобладают старые особи, можно со всей определенностью сказать, что данная популяция завершает свое существование.

Экологическая структура свидетельствует об отношении различных групп организмов к условиям окружающей среды. Например, особи одной популяции растений различаются рядом признаков: по размерам, количеству побегов, цветков, плодов, семян и т. п. Кроме того, разные особи этой же популяции зацветают неодновременно, что способствует более полному их опылению (при одновременном и кратковременном цветении насекомые могут не успеть опылить все цветки). У такой популяции меньший риск остаться без семян, например в случае кратковременных заморозков (замерзнет лишь часть цветков).

Динамика популяций. Теоретически любая популяция способна к неограниченному росту численности, если ее не лимитируют факторы внешней среды (ограниченность ресурсов, болезни, хищники и т. п.). В таком гипотетическом случае скорость роста популяции будет зависеть только от величины биотического потенциала, свойственного каждому конкретному виду. Биотический потенциал отражает теоретически возможное число потомков от одной пары (или одной особи) за определенный промежуток времени, например за весь жизненный цикл или за год.

У разных видов величина биотического потенциала резко различается. Например, у крупных млекопитающих даже при самых благоприятных условиях численность может возрастать лишь в 1,05—1,1 раза за год. У многих насекомых и ракообразных (тли, дафнии) численность за год увеличивается в 10¹⁰—10³⁰ раз, а у бактерий еще больше. Однако в этих случаях в идеальных условиях численность любой популяции за определенное время будет расти в геометрической прогрессии (рис. 14.2). Рост численности с постоянной скоростью называется экспоненциальным ростом. Кривая, отражающая на графике подобный рост популяции, быстро увеличивает крутизну и уходит в бесконечность.

Рис. 14.2. Экспоненциальная (теоретическая) (а) и логистическая (реальная) (б) кривые роста популяций.

В природных условиях экспоненциальный рост популяций наблюдается крайне редко. Например, он был отмечен для популяции кролика, завезенного а Австралию, где для него имелись неограниченные пищевые и пространственные ресурсы при отсутствии сдерживающего влияния хищников. Такой тип роста наблюдается также при вспышках численности саранчи, непарного шелкопряда и других насекомых. Однако периоды экспоненциального роста обычно кратко временны.

При увеличении плотности популяции обычно наблюдается замедление роста численности, поскольку популяция оказывается в условиях с ограниченными ресурсами. Например, животным при высокой плотности популяции может не хватать пищи, а растения начинают затенять друг друга или им недостает влаги. Тип роста популяции при ограниченных ресурсах, характеризующийся снижением скорости по мере увеличения плотности популяции, называется логистическим (см. рис, 14.2).

Общие изменения численности популяции определяются такими процессами, как рождаемость, смертность и миграция особей.

Рождаемость характеризует частоту появления новых особей в популяции. Средняя величина рождаемости каждого вида определилась исторически как приспособление для восполнения убыли популяции. Различают абсолютную и удельную рождаемость.

Абсолютная рождаемость — количество особей, родившихся (вылупившихся, отпочковавшихся и т. д.) в популяции за единицу времени. Удельная рождаемость — количество особей, родившихся в популяции за единицу времени в расчете на одну особь. Показатель удельной рождаемости позволяет сравнивать скорость рождаемости в популяциях с разной численностью.

Величина рождаемости тем выше, чем больше доля особей, принимающих участие в размножении, чем выше плодовитость, чем чаще следуют друг за другом репродуктивные циклы. Обычно рождаемость в каждой популяции уравновешена характерной для нее смертностью.

Смертность характеризует скорость убывания численности популяции вследствие гибели особей от хищников, болезней, паразитов, генетической и физиологической неполноценности, старости и т. п.

На численность популяций существенное влияние оказывает также миграция особей.

Миграции — закономерные перемещения животных между существенно различными, пространственно разобщенными средами обитания. Подобные переселения вызываются изменением условий существования в местах обитания или изменением требований животного к этим условиям на разных стадиях развития. Массовое перемещение особей между популяциями может изменить их структуру и основные свойства (предотвратить гибель популяции, находящейся на грани вымирания, или, наоборот, привести ее к резкому сокращению). Например, массовое выселение оседлых животных (белок, кедровок, леммингов и др.) при внезапном ухудшении условий (засухи, пожары, наводнения и т. п.), перенаселении часто заканчивается их массовой гибелью.

Миграции (суточные, сезонные) позволяют организмам использовать оптимальные условия среды в таких местах, где их постоянное проживание невозможно. Они приводят к освоению новых биотопов, расширению общего ареала вида, к обмену особей между популяциями, увеличивают единство и общую устойчивость вида, способствуют успеху в борьбе за существование.

При отсутствии миграции изменение численности популяции зависит от соотношения величины рождаемости и смертности.

Если величина рождаемости выше смертности, то численность популяции будет возрастать, и, наоборот, снижаться, если смертность превысит рождаемость. Таким образом, численность популяций в природных условиях постоянно меняется, поскольку меняются условия среды обитания. Амплитуда и период этих колебаний зависят от степени изменчивости окружающей среды, а также от биологических особенностей конкретного вида.

Важная роль в регуляции численности и плотности популяции принадлежит поведенческим факторам. Например, в популяциях многих грызунов повышение в крови концентрации гормона адреналина, наблюдаемое при большой плотности популяции, вызывает агрессивность, различные гормональные расстройства (у самок может происходить рассасывание эмбриона). В результате численность грызунов снижается.

Другая форма поведения — защита индивидуального участка (территориальности) — также направлена на регулирование численности. Часто почти вся территория, занимаемая популяцией, поделена на индивидуальные участки, которые обозначаются разными способами (секретом пахучих желез, царапинами на деревьях, пением самцов птиц, мочой и т. п.). Мечение и охрана участков, не допускающие размножения на них «чужих» особей, приводит к рациональному использованию территории. Избыточная часть популяции при этом не размножается или вынуждена выселяться за пределы занятого пространства.

Существует ряд других исторически сложившихся механизмов, задерживающих рост популяций и обеспечивающих тем самым их устойчивость. К ним относятся химические взаимодействия особей (например, головастики выделяют в воду вещества, которые задерживают рост других головастиков); изменения в физиологии и поведении при увеличении плотности, что приводит к проявлению инстинктов массовой миграции; распространение заболеваний (вероятность передачи инфекций возрастает с ростом плотности популяции) и др.

Таким образом, благодаря множеству механизмов размах всех суточных, сезонных и годовых изменений численности и уровня плотности популяций, как правило, меньше теоретически возможного, соответствующего реализации всего биотического потенциала. Перенаселенность всегда неблагоприятна для любого вида, так как может привести к быстрому подрыву ресурсов среды, нехватке пищи, убежищ, пространства, что неминуемо повлечет за собой общее ослабление популяций.

5.Классификация экологических факторов:

Экологический фактор – любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное воздействие на живые организмы.

Экологические факторы делятся на три категории:
1. Абиотические – факторы неживой природы;
2. Биотические – факторы живой природы;
3. Антропогенные – факторы человеческой деятельности.

1 Абиотические факторы наземной среды:
-Свет. Поступающая от Солнца лучистая энергия распределяется следующим образом. На видимую часть спектра с длиной волны 400-750 км приходится 48% солнечной радиации. Наиболее важную роль для фотосинтеза играют оранжево-красные лучи, на которые приходится 45% солнечной радиации. Инфракрасные лучи с длиной волны более 750км не воспринимаются многими животными и растениям, но являются необходимыми источниками тепловой энергии. На ультрафиолетовую часть спектра – менее 400 км – приходится 7% солнечной энергии.

-Ионизирующее излучение – это излучение с очень высокой энергией, способное выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов. Источник ионизирующего излучения – радиоактивные вещества и космические лучи. Единица дозы излучения, которую получает человек, называется бэр (биологические эквивалент рентгена); 1 бэр = 0,01 Дж/кг.

-Влажность атмосферного воздуха – параметр, характеризующий процесс насыщения его водяными парами. Разность между максимальным (предельным) насыщением и данным насыщением называется дефицитом влажности. Чем выше дефицит, тем суше и теплее, и наоборот. Растения пустынь приспосабливаются к экономному расходованию влаги. Они имеют длинные корни и уменьшенную поверхность листьев. Пустынные животные способны к быстрому и продолжительному бегу для длинных маршрутов на водопой. Внутренним источником воды у них служит жир, при окислении 100г которого образуется 100г воды.

-Осадки. Являются результатом конденсации водяных паров. Они играют важную роль в круговороте воды на Земле. В зависимости от характера их выпадения выделяют гумидные (влажные) и аридные (засушливые) зоны.

-Газовый состав атмосферы. Важнейшим биогенным элементом атмосферы, который участвует в образовании белков в организме, является азот. Кислород, поступающий в атмосферу в основном от зеленых растений, обеспечивает дыхание. Углекислый газ является естественным демпфером солнечного и ответного земного излучений. Озон выполняет экранирующую роль по отношению ультрафиолетовой части солнечного спектра.
-Температура. На поверхности Земли определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Для большинства наземных животных и растений температурный оптимум колеблется от 15 до 30?С.

Абиотические факторы водной среды:
На доля мирового океана приходится 71% земной поверхности. Водная среда отличается от наземной плотностью и вязкостью. Плотность воды в 800 раз, а вязкость в 55 раз больше воздуха. Наряду с этим важнейшими особенностями водной среды являются: подвижность, температурная стратификация, прозрачность и соленость, от которых зависит фотосинтез бактерий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

2 Биотические факторы окружающей среды:
Под биотическими факторами понимают совокупность влияния жизнедеятельности одних организмов на другие.

3 Антропогенные факторы окружающей среды:
Антропогенные факторы окружающей среды обязаны своим происхождением комплексной техногенной деятельности человека на Земле, включающей его бытовую сферу (сжигание мусора и отходов, строительство и т.д.) и производственную деятельность (все отрасли промышленной индустрии, сельское хозяйство, нефте-, газо- и горнодобывающие отрасли и т.д.).

Воздействие антропогенных факторов на биосферу. Современный период развития мировой экономики связан с интенсификацией производства, увеличением объемов используемых природных ресурсов и поступлением во все возрастающих масштабах вредных веществ в биосферу. Научно-техническая революция обостряет проблемы природопользования.

В процессе своей деятельности человек по-разному влияет на составные части биосферы. Причины или факторы такого влияния называют антропогенными (от греч. anthropos — человек), они приводят к истощению природных ресурсов, загрязнению природной среды и образованию искусственных ландшафтов.

Рассмотрим некоторые из них, имеющие земной глобальный характер.

Средняя температура на поверхности Земли за 100 лет увеличилась на 0,5 - 0,6°С, зимняя — еще больше из-за ежегодных поступлений в атмосферу углекислого газа (0,4%), метана (1%), оксида азота (0,2%), затрудняющих отдачу тепла с поверхности (парниковый эффект). Источниками таких газов служат сжигание природного топлива и антропогенное нарушение работы микробных сообществ в почвах Сибири и Северной Америки. При неизменной современной антропогенной нагрузке температура тем не менее будет подниматься на 0,5°С каждые 10 лет.

За последнее десятилетие накопилось около 20 млн. т пылевых частиц, 600 тыс. т меди, 4,5 млн. т свинца, 3 млн. т цинка.

Ведомственный монополизм в развитии промышленности, пренебрежение реальными потребностями общества и затратный механизм привели к сырьевой специализации экспорта в России. За последние годы, разбазаривая невосполнимые природные ресурсы, ведомства организовали экспорт на 80% из сырья и топлива. Для сравнения развивающиеся страны Африки экспортируют 90% добываемого сырья, а страны Латинской Америки — около 50%.

В сложившихся условиях России грозит экологический колониализм, который будет проявляться в вывозе по дешевым ценам минерального и лесного сырья, топлива, эксплуатации земельных ресурсов, выносе в развивающиеся страны «грязных» отраслей, экспорте экологически опасных технологий и товаров, захоронении токсичных химических и радиоактивных отходов. Эта опасность возросла с развитием предпринимательской деятельности. Антропогенная растительность — сообщество растений, возникающее в результате деятельности человека: посевы, посадка деревьев, выпас скота, осушение болот и др.