Популяции: понятие и свойства

Тема 3. Структура экологических систем

Популяции – понятие и свойства популяций. Понятие биоценоза и экосистемы. Компоненты экологических систем и их функции. Трофические уровни, пирамиды чисел, закон перехода веществ и энергии в сообществе – правило Линдемана. (закон 10 % Линдемана). Закономерность накопления токсических веществ в цепи питания. Классификация экосистем. Основные свойства экосистем. Устойчивость экосистем (принцип Ле-Шателье).

Отдельно взятый организм не может характеризовать свойства и признаки, присущие виду в целом. Поэтому, начиная с XX в., центр внимания в экологических исследованиях сместился с индивидуумов на группы совместно обитающих особей одного вида или популяции.

Популяцией называется группа особей одного вида, занимающая определенное пространство, длительно существующая в природе, в пределах которой осуществляется свободное скрещивание и которая отделена от других популяций в результате территориальной и биологической изоляции той или иной степени.

Популяции обладают свойствами, благодаря которым они поддерживают свою численность в оптимальных пределах при изменяющихся условиях внешней среды, т. е. гомеостазом. Эти приспособительные возможности определяются возрастной и половой структурой популяций, внутривидовыми взаимоотношениями и связями.

Популяции характеризуются разной степенью генетического разнообразия особей. Совокупность генов, которые имеются у конкретной популяции, называются генофондом.

Как в экологии, так и в биологии считается, что популяция является эволюционной единицей вида. Это связано с тем, что популяция является минимальной структурой, в которой происходят эволюционные изменения, ведущие к преобразованию видов. Например, на одном колорадском жуке невозможно проследить, как появляется у него устойчивость к инсектициду. Подопытный жук или погибнет, или выживет. Но появление устойчивости хорошо заметно на популяции жуков, которые длительное время обитают на нашем поле. Вот здесь, как раз на уровне популяции, становится заметно, что жуки в один прекрасный момент стали устойчивы к какому-либо препарату.

В то же время популяции не имеют жестких линейных границ, и между ними существует обмен отдельными особями (например, заяц перебежал в другой лес и оставил там потомство). Такие связи между популяциями поддерживают вид как единое целое и поддерживают стабильность его генофонда.

Любая популяция характеризуется рядом признаков, которые характеризуют группу как единое целое. Свойства, присущие популяции, отражают ее состояние как группы организмов в целом, а не признаки отдельных особей. Популяции присущи как пространственные (статические), так и временные (динамические) характеристики.

Пространственная структура популяций определяется такими характеристиками, как общая численность, плотность, пространственное распределение, возрастной состав, соотношение полов. Они отражают состояние популяций в какой-то определенный момент времени.

Численность особей в популяции – это одна из важнейших характеристик при экологических исследованиях. Одной из проблем является определение минимальных размеров популяций, при которой она способна к самовоспроизведению.

Плотность определяется числом особей, приходящихся на единицу площади или объем. Роль любого вида в экосистеме в значительной мере зависит от плотности его популяций.

Возрастной состав имеет большое значение для существования и процветания популяций. В быстрорастущих популяциях доминируют молодые особи, в сокращающихся – старые, не способные интенсивно размножаться. Возрастной состав зависит от продолжительности жизни особей; условий среды обитания; числа поколений (генераций), которые организмы популяций могут оставить за свою жизнь; периода достижения половой зрелости.

Характер распределения особей, составляющих популяцию в пространстве, может быть 3 типов: равномерным, случайным и скученным (групповым).

Случайное распределение имеет место, когда среди особей популяции имеется большая конкуренция и для ее пропитания требуются большие территории. Например, популяции рыси, которая большую часть года живет одна, охотясь на больших площадях, и только в период размножения рыси собираются в группы. В природе такой вид распределения встречается не часто. В этом случае сила и направление воздействия экологических факторов случайно изменяются во времени и пространстве.

Скученное (групповое) распределение – это наиболее распространенный тип распределения особей в природных популяциях. Например, косяки рыб, стаи птиц и т. д. При этом размещение особей обусловлено мозаичностью (пятнистостью) экологических условий среды, т. е. в одном месте встречается высокая плотность представителей популяции, в другом месте никого нет.

Равномерное распределение наблюдается в искусственных посевах сельскохозяйственных культур. Гораздо реже – в естественных сообществах.

Динамические характеристики популяций отражают временные процессы, протекающие в них с определенной скоростью. Наиболее важные из них – рождаемость и смертность.

Рождаемость определятся как число особей, рожденных в популяции за некоторый промежуток времени. Проще всего она определяется эволюционным положением вида, его биологией. Низкая плодовитость характерна для тех видов, которые больше заботятся о потомстве (например, слоны), а высокая (мыши, зайцы) – для тех, которые вскоре после рождения оставляют своих потомков.

Экологи различают максимальную рождаемость (в условиях отсутствия лимитирующих экологических факторов) и экологическую, или реализованную (характеризует прирост или увеличение численности популяций при фактических или специфических условиях среды).

Смертность – величина, обратная рождаемости. Смертностью называют количество особей, погибших за определенный период времени. Она зависит от условий окружающей среды, возраста и состояния популяции. Максимальная продолжительность жизни для разных организмов не одинакова. Например, возраст секвойи может достигать 4000–5000 лет. Среди животных слоновая черепаха живет 200–300 лет, крокодил – до 300, медведи – 50 лет; среди птиц долгожителями являются лебеди, попугаи, вороны. В то же время в природе встречаются бабочки-однодневки, продолжительность жизни которых не превышает суток.

Кроме того, смертность в популяциях с высоким уровнем рождаемости в подавляющем количестве случаев высока. До половозрелого возраста, когда организмы способны оставлять плодовитое потомство, доживает лишь небольшое количество особей (например, мыши, мухи и т. д.). Поэтому стабильность вида и поддерживается за счет высокой рождаемости.

Гомеостаз популяции, т. е. поддержание оптимальной численности и плотности населения, определяется экологической спецификой вида и конкретными условиями среды. Многим видам свойственно выселение как ответная реакция на растущую плотность популяции или конкуренцию с другими видами (например, роение пчел). Такое выселение может принимать характер массовых периодических или непериодических миграций. Они возникают у многих видов подвижных животных – птиц, насекомых, млекопитающих.

Непериодические миграции как ответ на перенаселение известны для некоторых видов птиц, саранчи, норвежского лемминга.

Периодические (сезонные) миграции возникли как приспособление, позволяющее многим видам временно заселять места, пригодные для их обитания только некоторую часть года. Наиболее широко такие миграции представлены у птиц, а также встречаются у некоторых видов рыб, морских млекопитающих, летучих мышей и т. д.

Сходны с миграцией и периодические кочевки диких копытных животных.

У относительно оседлых животных возникают свои специфические приспособительные реакции, позволяющие оптимально использовать необходимые им условия и снизить конкуренцию. Такие виды животных отличаются большой привязанностью к участку, на котором они обитают, что получило название хоминг. Это позволяет им успешнее спасаться от врагов и добывать корм на знакомой, обжитой территории.

В популяциях некоторых групп животных при возникновении перенаселения происходят коренные изменения физиологии ее членов, направленные к единой цели – снизить воспроизводство. Это достигается путем снижения плодовитости самок, числа генераций, более позднего вступления в размножение и т. д. Наоборот, при снижении плотности популяций изменения физиологии направлены на повышение жизнеспособности отдельных оставшихся особей. Такое явление особенно заметно у саранчи, когда в период с большим количеством пищи преобладают особи, способные быстро размножаться. В таком случае наблюдается резкое увеличение численности этих насекомых и последующее их массовое расселение. При наступлении неблагоприятных условий в популяция саранчи преобладание получают малоплодовитые, но выносливые особи, способные с успехом перенести неблагоприятный период.

Популяция любого вида теоретически способна к неограниченному росту численности. Вместе с тем он ограничивается не только биотическим потенциалом, т. е. потенциально максимальной скоростью увеличения популяции вида, но также зависит от лимитирующих факторов среды и внутрипопуляционных отношений.

При этом многочисленные факторы, направленные на ограничение роста популяций, вступают в действие задолго до истощения кормовых ресурсов в ответ на сигналы угрозы перенаселения. Благодаря этому четкому, эволюционно отработанному механизму численность большинства видов постоянна. Следовательно, существует относительное равновесие или согласованность между рождаемостью и смертностью в популяции, которую называют регуляцией численности популяции.

Изменение численности популяции определяет два типа факторов: модифицирующие и регулирующие.

К первым относятся все абиотические факторы. Благоприятное сочетание климатических факторов приводит как к увеличению численности популяции (количественной структуры), так и качественных характеристик (крупность и здоровье особей). При сочетании неблагоприятных абиотических факторов популяции малочисленны, да и отдельные особи не отличаются крупными размерами. Для примера сравните одуванчики на плодородных землях и на песчаной или каменистой почве.

К регулирующим факторам относятся только биотические. Под их влиянием происходит снижение размаха колебания или амплитуды численности популяции. Их эффективность всегда выполняется с опозданием, т. к. они всегда воздействуют на рост популяции (рис. 3).

Например, если скорость роста популяции невелика, то ее численность регулируется деятельностью хищников. При возрастании темпов прироста хищники не успевают его ограничивать. Однако возросшая плотность популяции вызывает массовые размножения паразитов. При еще более быстрых темпах роста основное регулирующее значение приобретают вспышки инфекционных заболеваний.

Для каждого биотического вида в процессе эволюции выработались типы динамики ( интенсивности колебания во времени ) численности.

Рис. 3. Взаимовлияние численности популяций жертвы (зайца) и хищника (рыси)

Рис. 3. Взаимовлияние численности популяций жертвы (зайца) и хищника (рыси)

Относительно стабильный тип – с небольшими амплитудами колебаний по годам (крупные млекопитающие, черепахи, некоторые виды птиц).

Сезонный тип, при котором происходит резкое нарастание численности при рождении молодняка и затем падение ее в течение года в десятки и сотни раз.

Многолетний тип – со вспышками массового размножения. Встречается у видов с высокой плодовитостью, но малой продолжительностью жизни особей (мыши, саранча).

Дата добавления: 2015-05-09