Популяция - саморегулирующаяся система

Под саморегуляцией систем понимают способность поддерживать на относительно постоянном уровне те или иные биологические показатели (внутренние свойства, структуру). Отклонение какого-либо показателя от определенного, характерного для данной системы, уровня является сигналом к включению механизмов, восстанавливающих этот уровень.

Численность популяции - общее число особей на выделяемой территории. Благодаря этой характеристике судят о том, насколько благоприятны условия существования вида на данной части ареала. Численность популяций разных видов, обитающих на Земле, различна. Так, популяции некоторых видов насекомых (например, непарного шелкопряда, божьих коровок) могут насчитывать миллионы особей. В то же время известны виды, состоящие всего из одной популяции, в которую входит несколько сот особей (например, уссурийский тигр). Численность популяций постоянно колеблется, что зависит от множества факторов: обилия или отсутствия пищевых ресурсов, недостатка или избытка площади для обитания и размножения; болезней, числа хищников и др.

Размножение приводит к появлению в популяции новых особей. Число новых особей, появляющихся в популяции за единицу времени, называется абсолютной рождаемостью. Понятие «новая особь» определяется достаточно произвольно и зависит от видовых особенностей, от целей и задач исследования и других факторов. Например, новой особью (или особью нулевого возраста) может считаться зигота, яйцо, личинка или особь, вышедшая из-под родительской опеки.

Отношение числа новых особей к числу имевшихся особей называется относительной (удельной) рождаемостью. Относительная рождаемость может рассчитываться или на одну особь, или на 1000 особей.

Смертность – понятие противоположное рождаемости. Различают абсолютную смертность (количество погибших особей за единицу времени) и относительную (удельную) смертность (количество погибших особей за единицу времени в расчете на одну особь или на 1000 особей).

Численность популяции может уменьшаться не только за счет смертности, но и за счет миграции особей. Таковы миграции белок, массовые миграции тундровых грызунов - леммингов. Перелеты огромных стай саранчи, о которых уже упоминалось, - тоже пример популяционных миграций за пределы мест размножения. Таким образом, численность, плотность особей в популяции саморегулируется, то есть популяцию можно рассматривать как сложную, саморегулирующуюся систему

Разность между рождаемостью и смертностью называется прирост популяции.

Плотность популяции - это среднее число особей, приходящееся на единицу площади или объема. При возрастании плотности популяции между ее особями усиливается конкуренция за пищу, место обитания и размножения - внутривидовая конкуренция.

Плотность популяций крупных организмов более стабильна, чем у мелких растений и животных. Например, в популяциях дуба по мере роста деревьев происходит их самоизреживание, а у мари белой (лебеды) из семян развиваются практически все растения, то есть чем больше плотность популяции, тем меньшую величину будут иметь организмы.

Выращивая культурные растения, человек ослабляет внутривидовую конкуренцию, прореживая посевы моркови, свеклы, а также определяя нормы посадки картофеля, капусты с учетом возможности удовлетворения каждым растением потребностей в минеральном питании. У животных уменьшение величины тела в связи с высокой плотностью популяции могут наблюдать, например, аквариумисты, если у них в небольшом аквариуме живет многочисленная популяция рыбок. Чаще всего увеличение плотности популяций животных и, как следствие, усиление внутривидовой конкуренции приводят к тому, что ее особи становятся физически слабее. Это снижает их сопротивляемость к заболеваниям и делает более доступными для хищников.

На динамику популяции влияют факторы, зависящие и независящие от плотности (численности) популяции. Например, действие климатических факторов в большинстве случаев (но не всегда!) не зависит от плотности популяции. Однако такие факторы как доступность ресурсов, межвидовые взаимоотношения, как правило, зависят от плотности.

Популяции видов, у которых рождаемость и смертность в значительной мере зависят от действия внешних факторов, подвержены быстрому изменению биотического потенциала и, соответственно, быстро изменяют свою численность, называются оппортунистическими. Амплитуда популяционных волн достигает 3-6 порядков (то есть за короткий период времени численность изменяется в тысячи и миллионы раз). Эти популяции редко достигают численности К и существуют за счет высокой плодовитости (высокое значение r_max). Такой способ сохранения популяций называется r–стратегия. r–Стратеги («шакалы») характеризуются высокой плодовитостью, низкой конкурентоспособностью, быстрым развитием и короткой продолжительностью жизни.

Популяции видов, у которых рождаемость и смертность в значительной мере зависят от их плотности (то есть от характеристики самой популяции), в меньшей степени зависят от действия внешних факторов. Эти популяции называются равновесными, или стационарными. Они поддерживают численность, близкую к величине К, поэтому способ сохранения таких популяций называется К–стратегия. К–Стратеги («львы») характеризуются низкой смертностью, высокой конкурентоспособностью, длительным развитием и длительной продолжительностью жизни.

Кроме популяций существуют группировки популяционного ранга – внутривидовые группировки, внешне сходные с популяциями, но неспособные эволюционировать: поле пшеницы, березовая роща, колония грызунов, муравейник, население административного района (например, вороны Челябинской области). Для обозначения внутрипопуляционных группировок используют различные термины: панмиктические единицы, соседства, демы и другие. Отдельно выделяют псевдопопуляции – внутривидовые группировки, неустойчивые во времени и, как правило, не оставляющие после себя потомства.

Тема Экология сообществ.

Экосистема — это безразмерная устойчивая система живых и неживых компонентов, в которой совершается внешний и внутренний круговорот вещества и энергии. В качестве примеров можно привести лесные экосистемы, почвы, гидросферу и т.д.

В состав экосистемы входят следующие компоненты:

• неорганические вещества (С, О₂, N₂, Р, S, СО₂, Н₂О и др.), которые включаются в круговороты веществ;

• органические соединения (белки, углеводы, липиды и др.), связывающие биотическую (живую) и абиотическую (неживую) компоненты экосистемы;

• воздушная, водная и субстратная среды, включающие климатический режим и другие физические факторы;

• продуценты, автотрофные (самопитающиеся) организмы, в основном зеленые растения, которые, используя энергию солнечного света, синтезируют органические вещества из углекислого газа и воды;

• консументы первого порядка (растительноядные животные) и второго порядка (хищники), гетеротрофные организмы, в основном животные, питающиеся другими организмами;

• редуценты или деструкторы, в основном бактерии и грибы, живущие за счет разложения тканей умерших организмов.

Биологическое вещество, производимое зелеными растениями, и запасенная в нем энергия — источник жизни для всех слагающих сообщество видов. Передаваясь по цепям питания, и вещество и энергия претерпевают ряд превращений. Часть вещества может использоваться как материал для строительства тел организмов, питающихся растениями (которые, в свою очередь, поставляют такой же «строительный материал» хищникам). Вследствие отмирания организмов все биологическое вещество в конечном счете достается микроорганизмам, участвующим в превращении сложных органических соединений в простые, которые вновь используются растениями.

Строго измерить циркулирующее в экосистеме вещество можно, учитывая круговорот отдельных химических элементов, прежде всего тех, которые являются основным строительным материалом для цитоплазмы растительных и животных клеток. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе о биосфере.

В отличие от веществ, которые непрерывно циркулируют в экосистеме и всегда могут вновь включаться в круговорот, энергия может быть использована только один раз. Солнце — практически единственный источник всей энергии на Земле. Однако не вся энергия солнечного излучения может усваиваться и использоваться организмами. Лишь около половины обычного светового потока, падающего на зеленые растения (т. е. на продуценты), поглощается фотосинтетическими элементами, и лишь малая доля поглощенной энергии (от 1 до 5%) запасается в виде биохимической энергии — энергии, заключенной в тканях растения. Большая часть солнечной энергии теряется в виде тепла.

При перемещении энергии по пищевой цепи с одного уровня на другой скорость ее потока (т. е. количество энергии, перешедшей с одного трофического уровня на другой в единицу времени) резко снижается в силу ряда причин. Часть заключенной в пище энергии вообще не усваивается и выводится из организма с экскрементами, часть теряется в процессе биохимической трансформации пищи. Кроме того, далеко не все организмы данного трофического уровня будут съедены потенциальными хищниками и, следовательно, не вся энергия, запасенная в их тканях, перейдет на следующий трофический уровень. Наконец, много энергии, полученной с пищей, тратится на работу, которую выполняет животное, перемещаясь, охотясь, строя гнездо или производя иные действия, в результате чего выделяется тепло.

Потери энергии при переходе с одного трофического уровня на другой (более высокий) определяют количество этих уровней и соотношение численности хищников и жертв. Подсчитано, что на любой трофический уровень поступает лишь около 10% (или чуть более) энергии предыдущего уровня. Поэтому общее число трофических уровней редко превышает три-четыре.

Сообществом (биоценозом) называется совокупность видов растений и животных, длительное время сосуществующих в определенном пространстве и представляющих собой определенное экологическое единство.

Сообщества — не случайные образования. Об этом свидетельствует то, что в сходных по географическому положе­нию и природным условиям районах возникают похожие сообщества. Озера средней полосы, например, характеризуются большим сходством фауны и флоры. В составе рыбного населения можно легко обнаружить такие хорошо всем знакомые виды, как плотва, окунь, щука, ерш и др. При внимательном изучении обнаруживается, не только сходство видов, но и сходство связей между ними. Эти связи чрезвычайно разнообразны. Входящие в сообщество виды снабжают друг друга всем необходимым для жизни - пищей, укрытиями, условиями для размножения. Взаимодействие видов обеспечивает эффективное использование ресурсов сообщества, препятствует бесконтрольному росту численности тех или иных организмов, т. е. выполняет роль регуляторов, поддерживающих устойчивое функционирование сложных природных систем.

Экосистема (от греч. oikos — жилище и systema — объединение) — это сообщество живых организмов вместе с физической средой их обитания, объединенные обменом ве­ществ и энергии в единый комплекс.

Виды связаны не только друг с другом, но и с неживой природой. Эта связь осуществляется через вещество и энергию. Примером экосистемы может служить пруд, включающий сообщество его обитателей, физические свойства и химический состав воды, особенности рельефа дна, состав и структуру грунта, взаимодействующий с поверхностью воды атмосферный воздух, солнечную радиацию.

В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они чер­пают их из окружающей неживой природы. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики. Даже такой небольшой грызун, как полевая мышь, способен за свою жизнь съесть десятки килограммов зерна; рост растений сопровождается огромным потреблением воды и т. д. Совершенно ясно, что, если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все необходимые им питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы питательных веществ на Земле иссякли бы и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов. Поглощенные ими из окружающей среды питательные вещества претерпевают различные превращения, постепенно распадаясь на все более простые соединения, часть которых идет на построение самого организма, а остальные в виде продуктов обмена выделяются в среду. Здесь они могут усваиваться растениями. Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют живые организмы.

При классификации наземных экосистем обычно используют признаки растительных сообществ, составляющих основу экосистем, и климатические (зональные) признаки. Так, выделяют определенные типы экосистем, например тундра лишайниковая, тундра моховая, лес хвойный (еловый, сосновый), лес лиственный (березняк), лес дождевой (тропический), степь, кустарники (ивняк), болото травянистое, болото сфагновое.

Растительные сообщества (и экосистемы) обычно не имеют резких границ и переходят друг в друга постепенно при изменении природных условий. Например, на границе лесов и тундры на севере нашей страны имеется переходная зона — лесотундра. Здесь чередуются редколесья, кустарники, сфагновые болота, луга. На границе леса и степи простирается зона лесостепи. Более увлажнённые участки этой зоны заняты лесом, сухие —-степью. От участка к участку меняется не только состав растительности, но и животный мир, особенности вещественно-энергетического обмена между организмами и физической средой их обитания.

Экосистема — очень широкое понятие, применимое как к естественным (например, тундра, океан), так и к искусственным (например, аквариум) комплексам.

Поэтому для обозначения элементарной природной экосистемы экологи часто используют термин «биогеоценоз» (от греч. bios — жизнь, ge — Земля, koinos — сообща, вместе). Биогеоценоз — составная часть природного ландшафта. Граница биогеоценоза устанавливается, как правило, по границе растительного сообщества (фитоценоза) — важнейшего компонента биогеоценоза.

Все природные экосистемы (биогеоценозы) связаны между собой и вместе образуют живую оболочку Земли, которую можно рассматривать как самую большую экосистему. Эта экосистема называется биосферой. Она охватывает часть атмосферы, часть литосферы и всю гидросферу. Целостное учение о биосфере создал выдающийся отечественный ученый В. И. Вернадский (1863—1945).

Совокупность особей одного вида, обитающая длительное время на определенной территории, носит название популяции. Направление экологии, изучающее динамику популяций, описываемую рядом характеристик, называется демэкология.

Синэкология - часть экологии, изучающая экологические системы. Общепринятого понятия системы до сих пор не существует. Под системой обычно понимают целостное образование, состоящее из взаимосвязанных компонентов (элементов). Любая система состоит из частей (подсистем) и является составным компонентом системного образования более высокого иерархического уровня (надсистемы). Например, биогеоценоз как система состоит из подсистем — биоценоза, популяций растений и животных — и входит в состав биосферы - глобальной системы высокого иерархического уровня. Системы обладают эмерджентными (новыми) свойствами. Каждая система качественно отличается от слагающих ее подсистем и от надсистемы, в которую она входит. Для иллюстрации принципа эмерджентности Ю. Одум приводит два примера. Молекула воды как система состоит из непохожих на нее подсистем атомов водорода и кислорода. Коралловый риф как система резко отличается от составляющих его подсистем: водорослей и кишечнополостных животных.