Курс «учителю биологии об основах экологии»

Проверим знания

    Ключевые вопросы

1. Почему в природе численность популяции не может быть слишком высокой или слишком низкой? 2. Что происходит с численностью популяции жертвы, если хищники отлавливают жертву медленнее, чем она успевает размножаться? 3. Как влияют на численность популяций факторы, независимые от их плотности? Приведите конкретные примеры.

    Сложные вопросы

1. Используя материал параграфа и дополнительную информацию, охарактеризуйте механизмы регуляции численности популяции жука короеда, вспышка численности которого представляет угрозу для лесов Беларуси. Поможет ли вырубка пораженных деревьев справиться с этой проблемой? 2. Если вас попросят разработать программу биологической борьбы с насекомым-вредителем, выберете ли вы для этого неспециализированных или специализированных хищников? Приведите аргументы в пользу своего выбора. 3. У хищных рыб — щуки, окуня, трески, наваги встречается такое редкое явление, как каннибализм, то есть поедание себе подобных. В чем биологический смысл этого явления?

Индивидуальное домашнее задание. Составьте экологический прогноз для популяций смешанного леса, в котором  был проведен полный отстрел популяции волков.

Структура популяции

Структура популяции выглядит следующим образом:

1. Возрастная – показывает соотношение особей разного возраста. При этом проводится градация особей на: предпродуктивные (не достигшие половой зрелости);
2. репродуктивные (способные к размножению);
3. пострепродуктивные (неспособные к размножению).

Соотношение особей популяции по возрастному состоянию называют возрастным спектром.

Половая – показывает соотношение разных полов (самцов и самок).

Пространственная – характеризует распределение особей в пространстве, которое бывает:

1. случайным;

равномерным;
групповым (наиболее распространённый вариант, так как устойчивость группы особей к неблагоприятной внешней среде выше, чем у отдельно взятой особи).

Генетическая – определяет соотношение особей с разными генотипами.

Экологическая – характеризует систему взаимоотношений особей с окружающей средой и между собой.

Сведения о структуре популяции помогают сделать вывод о её благополучии (неблагополучии).

Особь

Особь — это организм или индивид, имеющий свойства, отличающие его от неживой материи: обмен веществ, способность к размножению, сохранение наследственности и передача ее потомкам. Из особей формируется вид, соответственно, и видовая популяция.

Иногда особи различных видов могут скрещиваться между собой. Например, тигрицы могут спариваться как с самцами-тиграми, так и с самцами-львами, при этом производить потомство. Еще один пример, но уже при вмешательстве человека — это скрещивание различных видов растений, фруктов, даже животных для получения чего-то нового, например, в качестве попытки приспособить какой-либо вид для жизни в иных условиях. Плотность популяции особей такого вида, то есть смеси, невелика, так как это скорее исключение, чем правило.

Феномен независимых от среды колебаний плотности

Для многих видов цикличность характерна, видимо, сама по себе, вне связи с каким-либо фактором среды. В природе наличие подобной зависимости или ее отсутствие установить сложно, ввиду большого разнообразия действующих на популяции факторов. Однако известно, что циклические колебания характерны и для экспериментальных (лабораторных) популяциях тех видов, у которых они наблюдаются и в природе, хотя здесь интенсивность внешних факторов относительно стабильна. Они также свойственны и видам, обитающим в жилищах человека (например, домовой мыши), где условия многократно более стабильны, чем в природе.

Замечание 2

Таким образом, очевидно, что колебания численности определяются не только внешними условиями.
Такие колебания связаны с механизмами внутреннего регулирования численности популяций. Они могут быть физиологическими и поведенческими. Первые наиболее изучены на примере грызунов. У этих животных при повышении плотности практически прекращается размножение, за счет блокировки беременности, резорбции эмбрионов, различий в репродуктивных возможностях отдельных генераций и т.д.

К поведенческим механизмам можно отнести ограничение плотности путем строгой территориальности. При этом размер территорий при росте популяции может уменьшаться лишь до определенного предела, как правило, все равно оставаясь избыточным в плане ресурсообеспеченности. После достижения этого предела лишние особи выселяются или исключаются из размножения.

Вторым известным механизмом служит иерархия в группах. Часто в сообществе размножаются только альфа-особи. Они же получают преимущественный доступ к ресурсам. При ограниченных ресурсах это способствует поддержанию размера группы не выше определенного уровня, поскольку низкоранговые особи вынуждены покидать такие группы, либо у них повышается смертность.

Преамбула

Рост численности популяций любого вида в природе никогда не бывает бесконечным, потому что ресурсы, за счет которых существуют виды (пища, убежища, подходящие места для размножения), на любой территории имеют пределы. Эти пределы ресурсов определяют емкость среды для конкретных популяций.

Когда под воздействием факторов окружающей среды происходит отклонение от оптимальных показателей численности (среднего уровня), говорят о процессе модификации численности. Возвращение к среднему уровню численности называется регуляцией. При этом воздействие на организмы экологических факторов, которые позволяют регулировать численность популяции, зависит от ее плотности. Под воздействием таких факторов происходит регуляция численности. К ним относятся биотические взаимоотношения и факторы-ресурсы абиотической среды.

Всякое значительное отклонение численности особей в популяциях от оптимальной связано с отрицательными последствиями для ее существования. В связи с этим популяции обычно имеют адаптационные механизмы, способствующие как снижению численности, если она значительно превышает оптимальную, так и ее восстановлению, если она уменьшается ниже оптимальных значений.

В природных системах с низким уровнем видового разнообразия численность популяций подвержена сильному воздействию абиотических и антропогенных факторов. Она зависит от погоды, химического состава среды и степени ее загрязнения. В системах с высоким уровнем видового разнообразия колебания численности популяций в основном контролируются биотическими факторами.

Все экологические факторы в зависимости от характера влияния на численность популяции можно разделить на две группы:

Факторы, зависимые от плотности популяции

Факторы, зависимые от плотности популяции, изменяют ее численность в сторону оптимального уровня и предотвращают перенаселение, поэтому их еще называют регулирующими факторами. К ним относятся биотические и природоохранные антропогенные факторы. Зависимыми от плотности популяции факторами являются: запасы кормовых ресурсов, наличие естественных врагов, конкурентов, различные виды природоохранной деятельности. На рисунке видно, что изменение количества кормовых ресурсов приводит к синхронному изменению численности популяции. Как вы думаете, какие свойства популяции и в каком направлении будут при этом изменяться?

Так, численность популяций снижается пропорционально количеству хищников, паразитов, возбудителей болезней и возрастает пропорционально запасу кормовых ресурсов. Таким образом, их наличие в среде обитания сглаживает резкие колебания численности популяции и способствует ее поддержанию в равновесном состоянии.

Когда численность популяции приближается к емкости среды, возникает нехватка корма вследствие его усиленного выедания. И тогда приводится в действие механизм регуляции численности популяции через внутривидовую конкуренцию за лимитирующие ресурсы. Если плотность популяции высокая, ее регулирует повышение смертности в результате обострения конкуренции. Часть особей погибает либо из-за нехватки корма (травоядные животные), либо в результате физического или химического воздействия особей друг на друга. Повышение смертности приводит к снижению плотности. Если плотность популяции низкая, происходит ее пополнение за счет увеличения рождаемости вследствие возобновления кормовых ресурсов и ослабления конкуренции.

!  Это интересно

Биологическая война — это умерщвление конкурентов внутри популяции путем прямого нападения (хищники одного вида). Резкое снижение кормовых ресурсов может приводить к возникновению каннибализма (поедание себе подобных). Химическая война — это выделение химических веществ, задерживающих рост и развитие или убивающих молодых особей (растения, водные животные). Проявление химической войны можно наблюдать на примере развития головастиков. При высокой плотности более крупные головастики выделяют в воду вещества, которые подавляют рост мелких особей. Поэтому завершают свое развитие только крупные головастики. Лишь после этого начинают расти мелкие головастики.

Регуляция численности популяции через количество кормовых ресурсов четко прослеживается на примере взаимодействия популяций хищника и жертвы. Они оказывают взаимное влияние на численность и плотность друг друга, вызывая повторяющиеся подъемы и спады численности обеих популяций, причем в этой системе колебаний увеличения численности хищника отстают по фазе от увеличений численности жертвы.

Примерно по тому же механизму осуществляется взаимная регуляция численности популяций паразита и хозяина при паразитизме. При повышении плотности популяции хозяина облегчается передача возбудителей от одной особи к другой, так как увеличивается частота контактов. В результате возникает вспышка заболевания, приводящая к увеличению смертности. Снижение плотности популяции хозяина препятствует переносу возбудителя, и здоровые особи начинают размножаться. Следовательно, хищники и паразиты в природе играют регулирующую роль, препятствуя чрезмерному росту численности других популяций. Полное их уничтожение может привести к нарушению равновесия в природных системах.

!  Это интересно

Важным механизмом регуляции численности в переуплотненных популяциях является стресс-реакция. Повышение плотности популяции приводит к увеличению частоты встреч между особями, что вызывает у них такие физиологические изменения, которые ведут либо к снижению рождаемости, либо к увеличению смертности. Это является причиной уменьшения численности популяции. Стресс не вызывает необратимых изменений в организме, а лишь приводит к временному блокированию некоторых функций. При устранении перенаселения способность к размножению быстро восстанавливается.

Все зависимые от плотности популяции механизмы регуляции численности включаются до того, как произойдет полное исчерпание ресурсов среды. Благодаря этому в популяциях сохраняются и поддерживаются оптимальные свойства и структура, что позволяет им длительно находиться в равновесном состоянии. Сохранение многочисленности популяций в пределах ареала обеспечивает сохранение и эволюцию вида.

Количество пищи

Количество пищи является фактором, обус­ловливающим рождаемость, эмиграцию, взаимоотношения особей и в целом численность популяции.

В результате простых опытов на мышах, проведённых учёными Висконсинского университета, установлено, что на состояние попу­ляции большое влияние оказывает количество пищи. При ежеднев­ном кормлении мышей одинаковым количеством зерна наблюдалось сначала увеличение числа особей в популяции. Это, в свою очередь, приводило к нехватке пищи. В результате отдельные особи были вынуждены перебраться в другое место (эмигрировать). Как видно из этого опыта, пища является фактором, ограничивающим размножение мышей, а возрастание эмиграции — фактором, сохраняющим равновесие популяции (рис. 65, а). Материал с сайта https://wikiwhat.ru

Второй опыт проводился в других условиях, при которых мыши имели достаточное количество пищи, но не могли перебраться (эмигрировать) в другое место. В результате постоянного увеличения численности популяции мышам стало тесно жить в одном месте, они начали поедать друг друга (каннибализм), не заботились о потомстве. Смертность молодых особей достигла 100% (рис. 65, б) в природных популяциях.

Биотическая регуляция

Хотя математические модели взаимообусловленных колебаний численности хищника и жертвы хорошо известны, в реальных экосистемах хищники играют заметную роль в управлении популяциями лишь немногих видов. Это, в первую очередь, крупные растительноядные млекопитающие. Как правило, консументы, находящиеся на близком к своей пище уровне морфофизиологической организации, в большей степени воздействуют на ее численность, чем более эволюционно молодые группы.

Замечание 1

Так, насекомоядные птицы редко способны регулировать численность беспозвоночных, особенно при массовом их размножении, но это могут сделать специфичные хищники-беспозвоночные. В регуляции численности большинства организмов более заметную роль играют паразиты или возбудители заболеваний.

Ресурсная регуляция

Популяции видов с малой продолжительностью жизни, обладающие высокой репродуктивной способностью, обычно наиболее чувствительны к изменениям абиотической среды и ресурсообеспеченности. В первую очередь, это бактерии. Их численность способна меняться в тысячи раз за очень короткие сроки. Среди «внутренних» механизмов им свойственна лишь реакция на загрязнение окружающей среды продуктами собственного метаболизма, что может вызвать прекращение роста даже при наличии достаточного количества ресурсов. Сходная ситуация прогнозируется учеными и для человечества, как реакция на загрязнение среды.

Для позвоночных ресурсная регуляция в целом малохарактерна, но может наблюдаться при их акклиматизации на территориях, где отсутствуют естественные враги и конкуренты.

Естественный и «неестественный» отборы

Если раньше существовал лишь естественный отбор, то сейчас в связи с развитием таких наук, как генетика и селекция, ученые занимаются выведением различных видов в очень больших масштабах. Это способствует тому, что происходит рост численности, плотности популяции, например, каких-то животных или же редких растений, которые помещают в иную среду обитания для облегчения условий жизни и размножения.

К сожалению, получается это не везде и не всегда, примером тому может служить «Красная книга», объем которой не уменьшается, как можно было бы ожидать, а увеличивается. Еще один минус такого вмешательства человека в жизнь природы — это то, что особи, выращенные в неестественных условиях, могут жить только под опекой — в зоосадах, лабораториях.

Зависимость факторов от плотности популяции

Одни и те же факторы могут воздействовать на популяцию двумя противоположными способами.

Действие одних на скорость роста популяции не зависит от уровня ее численности, это факторы, не зависящие от плотности. В качестве примера можно привести климатические факторы.

Действие других факторов варьирует в зависимости от плотности популяции, при ее изменениях влияние таких факторов усиливается или ослабляется. Это зависящие от плотности факторы. Их связь с плотностью популяций может быть как положительной, так и отрицательной. Например, смертность обычно растет с увеличением плотности, а рождаемость снижается.

Бывает и более сложная зависимость – когда имеется определенная оптимальная плотность, а ее увеличение или снижение оказывается неблагоприятным. Например, репродуктивный успех сизого голубя при одиночном гнездовании и в очень больших колониях мал, при среднем размере колоний он существенно выше.

Воздействие на популяцию зависящих от ее плотности факторов обычно способствует достижению равновесной плотности, при которой популяция перестает расти. Обычно подобное характерно для воздействия биотических факторов: конкуренции, хищничества, эпизоотий.

Проблемы популяций

Как ни странно будет звучать, но проблема у человечества и любого вида на Земле одна — перенаселение. Конечно, прежде всего, вопрос перенаселения Земли касается людей. При плохом варианте развития событий человечество сможет «вытеснить» животных с планеты, а вот они заставить подвинуться нас — нет. Ресурсы, будь то вода, лес или минералы, почти исчерпаны. С каждом годом темп потребления их растет, а значит, меньше остается тем, кто не обладает возможностями человечества, то есть животным, рыбам и птицам.

Отслеживать и регулировать плотность населения популяции человека можно, но хотелось бы, чтобы происходило это не насильственным, а вполне естественным путем. Но вот как? На этот вопрос искать ответ ученым.

Структурная классификация

Популяции представляют собой сложную структуру, которая классифицируется по видам:

1. Возрастные.
2. Пространственные.
3. Половые.
4. Генетические.
5. Экологические.

На формирование половой структуры влияют генетические, физиологические, гормональные причины. Структура полов – это соотношение числа особей мужского и женского рода.

Возрастная структура различает животных разного возраста. Он оказывает влияние на рождаемость, смертность генофонда. Группа животных состоит из молодого потомства, репродуктивных членов и старых организмов, не способных к размножению.

Структуры по генетическим признакам зависят от многообразия близких видов по генной схожести. Разнородность необходима для привыкания к условиям обитания и снижения угрозы исчезновения. Пространственные – распределяются на территориях случайно, по группам или равномерно.

Структуру экологическую определяют по тому, как она взаимодействует с окружающей средой, какую занимает среду обитания. Для одних ареалом обитания становится лесной массив, для вторых – водная среда или степи.