Екологія популяцій демекологія ЕКОЛОГІЯ ПОПУЛЯЦІЙ ДЕМЕКОЛОГІЯ

Екологія популяцій (демекологія)

ЕКОЛОГІЯ ПОПУЛЯЦІЙ (ДЕМЕКОЛОГІЯ) • Розділ загальної екології, що вивчає структурні та функціональні характеристики, динаміку чисельності популяції, внутрішньопопуляційні угруповання та їх взаємовідносини, фактори, що впливають на відносини між живими організмами

ПРАВИЛО ОБ'ЄДНАННЯ В ПОПУЛЯЦІЇ • Індивіди будь – якого виду живого завжди представлені в природному середовищі не ізольованими одиницями, а тільки певним чином організованими сукупностями

ПОПУЛЯЦІЯ • Мінімальна група самовідтворна особин одного виду, що протягом еволюційно тривалого часу населяє певний простір, утворює генетичну систему і формує власну екологічну нішу

ПОПУЛЯЦІЯ • Відносно відокремлені частини окремих видів , в межах яких більш ймовірні схрещування та передача інформації, ніж це можливо між різними популяціями даного виду

ПОПУЛЯЦІЯ • Форма існування виду, що забезпечує пристосування його до конкретних умов середовища

ОСНОВНІ КРИТЕРІЇ ПОПУЛЯЦІЇ • Спільність еволюційної долі • Здатність до невизначеного довгого існування • Наявність території (ареалу) • Наявність спільного генофонду, значно ізольованого від інших популяцій • Адаптивне реагування на зовнішні впливи як цілого • Наявність специфічного екологічного гіперпростору (екологічної ніші)

ЕКОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОПУЛЯЦІЇ • Величина за простором, що займається популяцією, та за чисельністю особин • Структура вікова, статева, просторова

ЕЛЕМЕНТИ ПОПУЛЯЦІЙ • Особини • Розмірно – вікові групи • Групи тієї чи іншої статі

ПОКАЗНИКИ ПОПУЛЯЦІЇ 1. Статичні 2. Динамічні

Статичні показники популяції характеризують стан популяції в певний момент часу t (загальна чисельність і щільність популяції, популяційна структура)

Динамічні показники популяції характеризують процеси, які відбуваються в популяції за певний проміжок часу t (типи росту і типи динаміки чисельності популяції)

ПРОСТОРОВА СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЙ • Тип розподілу особин у просторі зумовлений біологічними особливостями виду та специфікою конкретних умов існування

ТИПИ РОЗПОДІЛУ ОРГАНІЗМІВ ПОПУЛЯЦІЇ У ПРОСТОРІ • Рівномірний • Груповий • Випадковий

ЧИСЕЛЬНІСТЬ ПОПУЛЯЦІЇ • Кількість особин, що в даний момент належать до однієї популяції, на даній території або в даному об'ємі

ЩІЛЬНІСТЬ ПОПУЛЯЦІЇ • Показник, що визначається співвідношенням чисельності організмів популяції до одиниці площі чи об'єму простору (120 дерев берези на 1 га, 1000 циклопів на 1 м 3 води)

ПРИНЦИП В. ОЛІ • Для кожної популяції існує своя оптимальна щільність та чисельність організмів

ВІКОВА СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЇ • Співвідношення між різними віковими групами

ВІКОВІ ГРУПИ В ПОПУЛЯЦІЯХ • • • Передрепродуктивна Репродуктивна Пострепродуктивна

ВІКОВА СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЇ • Чинить вплив на народжуваність та смертність • Визначає здатність до розмноження в даний проміжок часу та показує, чого можна очікувати в майбутньому

В швидкозростаючих популяціях значну частку складають молоді особини

ВІКОВА СТРУКТУРА ПОПУЛЯЦІЇ • В стабільних популяціях розподіл вікових груп більш рівномірний • В популяціях, для яких характерне зменшення чисельності переважають особини старшого віку

ЕКОЛОГІЧНИЙ ВІК • Передрепродукт ивний • Репродуктивний • Пострепродукти вний

ТИПИ ВІКОВИХ ПІРАМІД

Вікові піраміди

ВІКОВІ ПІРАМІДИ

Етологічна структура відображає різноманітні форми спільного існування особин в популяціях

Стійкість популяції – один з основних системних параметрів, здатність популяції протистояти мінливим факторам середовища з метою свого збереження

Динаміка популяцій – це процеси зміни її основних біологічних показників (чисельності, біомаси, структури) в часі залежно від екологічних факторів

Демографічні показники популяції • Народжуваність – інтенсивність поповнення популяції за рахунок розмноження (поява нових особин за одиницю часу з розрахунку на певну кількість дорослих організмів) • Динамічний показник

Потенційна народжуваність – відтворення теоретично максимально можливого потомства ідеальної популяції

Реальна екологічна народжуваність – характеризує реалізовану продуктивність популяції. Справжній приріст індивідуумів популяції за певний проміжок часу

Питома народжуваність – поява нових особин у популяції з розрахунку на одну існуючу особину

b=B/N b – питома народжуваність B – кількість особин, що з'явилась в популяції за певний час N – чисельність популяції

НАРОДЖУВАНІСТЬ • B=d. N/dt

СМЕРТНІСТЬ • Відношення кількості особин, у тому числі людей, померлих за одиницю часу (найчастіше за рік), до їх умовної кількості (найчастіше до 100 або 1000 особин), що мешкають на певній території, або до всього об'єму популяції

Екологічна смертність – реальна загибель особин у даних умовах середовища

СМЕРТНІСТЬ

Крива виживання являє собою графік залежності від часу числа особин, що вижили на даний момент, до деякої початкової групи новонароджених

ЗМІНА ЧИСЕЛЬНОСТІ В ПОПУЛЯЦІЇ • Швидкість зміни чисельності = (народжуваність + швидкість імміграції) – (смертність + швидкість еміграції)

ТИПИ РОСТУ ПОПУЛЯЦІЇ • J – подібний (експоненційна модель) • S – подібний (логістична модель)

J – ПОДІБНИЙ РІСТ ПОПУЛЯЦІЇ

d. N/dt=r. N N – чисельність особин в популяції t – час r – константа швидкості природного приросту

J – ПОДІБНИЙ РІСТ ПОПУЛЯЦІЇ • Ріст популяції не залежить від її щільності • Характерні різкі перепади чисельності • Описується експоненційною моделлю

S – ПОДІБНИЙ РІСТ ПОПУЛЯЦІЇ

d. N/dt = r. N(1 -N/K) K – підтримуюча ємність середовища, тобто максимальний розмір популяції, яка може існувати в даних умовах, задовольняючи свої потреби невизначено довго

N>K – швидкість росту є негативною N

S – подібний ріст популяції • Щільність популяції регулюється виснаженням харчових ресурсів, накопиченням токсикантів • Описується логістичною моделлю

БІОТИЧНИЙ ПОТЕНЦІАЛ – сукупність всіх екологічних факторів, що сприяють збільшенню чисельності популяції, або видова здатність до розмноження за відсутності обмеження з боку середовища

Опір середовища – поєднання факторів, що обмежують ріст

Будь – які зміни популяції є результатом порушення рівноваги між її біотичним потенціалом та опором довкілля

r - стратеги Життєві стратегії популяцій K - стратеги

Високе значення біотичного потенціалу популяції Висока плодючість r - стратеги Швидке досягання статевої зрілості Короткий життєвий цикл Швидке поширення у нових біотопах

Підвищення конкурентоспроможності і виживання окремих особин Відбір на конкурентоздатність K - стратеги Захищеність від хижаків та паразитів Виживання кожного нащадка Досконалі механізми регулювання чисельності

СИСТЕМА ЖИТТЄВИХ СТРАТЕГІЙ РАМЕНСЬКОГО - ГРАЙМА • Віоленти • Патієнти • Експлеренти

ВІОЛЕНТИ (“ЛЕВ”, СИЛОВИК) • Види, що часто визначають загальний вигляд і характер угруповання • Здатні пригнічувати конкурентів за рахунок більш інтенсивного росту і більш повного використання території

ПАТІЄНТИ (“ВЕРБЛЮД”) • Види, здатні виживати в несприятливих умовах, де більшість інших видів існувати просто нездатні • Посухостійкі, тіньолюбні, солелюбні рослини

ЕКСПЛЕРЕНТИ (“ШАКАЛ”) • Види, що швидко розмножуються і швидко розселяються, з'являються там, де порушені корінні угруповання

Екологія угруповань

Угруповання • Будь – яка сукупність організмів різних видів, що мешкають на одній території і об'єднаних між собою впливом комплексу умов існування шляхом трофічних і просторових взаємовідносин

Екосистема • Елементарна одиниця природи, відносно однорідний за структурою та функціонально незалежний компонент (складова частина) біосфери • Об'єкт, утворений біотичними та абіотичними елементами, речовинно – енергетичні й інформаційні зв'язки між якими формують певну структуру

Компоненти екосистеми • Абіотична частина • Біотична частина (продуценти, консументи, редуценти)

Класифікація екосистем • Природні (формуються природним шляхом) • Штучні (створені людиною, антропогенні)

Класифікація екосистем за енергетичним підходом • Природні – існують і підтримують свою структуру тільки за рахунок природних джерел енергії (сонячної, гравітаційної, геотермальної, хімічної) • Напівштучні – природні біотичні угруповання частково або майже повністю трансформовані людиною, потребують додаткових енергетичних субсидій • Штучні – забезпечуються енергією з джерел, які є недоступні для природних екосистем (енергія викопного палива, електроенергія)

Трофічна структура екосистем • Організація угруповання, що базується на трофічних взаємовідносинах популяцій • Передбачає існування трьох груп організмів, які забезпечують перенесення речовини та обмін енергії

Продуценти • Автотрофні та хемотрофні організми (рослини, деякі бактерії), які синтезують органічні речовини з простих неорганічних за допомогою фотосинтезу або хемосинтезу • Зелені рослини – основні продуценти в наземних та водних екосистемах

Консументи • Організми (всі тварини, частина мікроорганізмів), які живляться безпосередньо або через інші організми готовою органічною речовиною, синтезованою автотрофами • Передають нагромаджену продуцентами частину сонячної енергії трофічними ланцюгами

Види консументів • Консументи 1 -го порядку живляться продуцентами , переважно зеленими рослинами (рослиноїдні, травоїдні тварини) • Консументи 2 -го порядку живляться консументами 1 -го порядку. М'ясоїдні тварини (комахоїдні, рибоїдні, хижі тварини) • Консументи 3 -го порядку існують за рахунок поїдання консументів 2 -го порядку

Редуценти (деструктори) • Організми (бактерії, гриби), які в процесі своєї життєдіяльності розкладають мертву органічну речовину, тобто перетворюють її на прості неорганічні сполуки, які після цього використовуються продуцентами • Більше 90% енергетичних запасів речовини рослин і тварин споживається після їх відмирання

Редуценти

Трофічні компоненти екосистеми • Автотрофний – використовує сонячну та хімічну енергію для синтезу органічної речовини з неорганічної • Гетеротрофний – використовує вже готову органічну речовину і запасену в ній енергію для забезпечення своєї життєдіяльності

Умова нормального функціонування екосистеми • Наявність всіх ланок трофічного ланцюга (джерело енергії, первинні продуценти органічної речовини, споживачі – консументи різних рівнів, деструктори)

Трофічні зв'язки • Форма взаємодії між популяціями в біоценозі, яка проявляється в харчуванні особин одного виду за рахунок живих особин інших видів, продуктів їх життєдіяльності або їхніх мертвих залишків

Трофічний рівень • Сукупність організмів, об'єднаних типом живлення

Трофічний (харчовий) ланцюг • Послідовність зв'язків в екосистемі, що будується на харчовій залежності одних видів від інших щодо переносу речовин та енергії • Трава заєць лисиця • Беркут кліщ паразити кліща

Трофічний ланцюг

Пасовищні трофічні ланцюги

Детритні трофічні ланцюги

Трофічна мережа • Умовне, образне позначення трофічних взаємозв'язків продуцентів, консументів та редуцентів в угрупованнях • Завдяки трофічним мережам речовина та енергія проходять через екосистему

Трофічна мережа

Трофічна мережа

Екологічні піраміди • • • Чисельності Біомас Енергії

Піраміда чисельності • Відображає розподіл чисельності популяції в трофічних ланцюгах, основою якої завжди є перший трофічний рівень (продуценти) • З переходом до вищих трофічних рівнів – консументів різних порядків – чисельність популяції знижується

Піраміда чисельності

Піраміда біомас • Графічне відображення розподілу біомаси продуцентів і відповідно консументів різного порядку • Сумарна маса рослин більша, ніж рослиноїдних і травоїдних тварин, а маса останніх переважає хижаків. Біомаса організмів найвищого трофічного рівня найменша

Піраміда біомас

Піраміда енергії • Відображає величину потоку енергії чи продуктивність на кожному наступному трофічному рівні

Закон піраміди енергії, правило 10% (правило Ліндемана) • З одного трофічного рівня екологічної піраміди переходить на інший, більш високий рівень (по “ драбині ” продуцент – консумент – редуцент), в середньому біля 10% енергії, що поступає на попередній рівень екологічної піраміди

Правило накопичення токсичних речовин • Якщо енергія при переході на більш високий рівень екологічної піраміди десятикратно втрачається, то накопичення токсичних і радіоактивних речовин в такій пропорції збільшується

Накопичення токсичних речовин

Продуктивність та енергетика екосистем

Біологічна продуктивність • Швидкість відтворення біомаси рослин, тварин і мікроорганізмів, які входять до складу екосистеми

Продукційний процес • Синтез, нагромадження й трансформація органічної речовини, поглинання і проходження енергії крізь біосистеми і екосистеми різних рівнів організації • Відображає потоки речовини й енергії крізь різноманітні живі системи • Характеризується такими параметрами як продуктивність, біомаса, продукція • Динамічний параметр, що кількісно характеризує інтенсивність трансформації речовини та енергії • Біологічна продуктивність може бути виражена продукцією за сезон, добу (за певну одиницю часу)

Продуктивність первинна • Біомаса (надземних та підземних органів), а також енергія і біогенні леткі речовини, синтезовані продуцентами на одиниці площі за одиницю часу

Чиста первинна продуктивність • Швидкість накопичення енергії (акумуляції її у вигляді біомаси) автотрофними організмами

Продуктивність первинна валова • Загальна кількість створюваної в процесі фотосинтезу органічної речовини, з урахуванням енергії , використаної на дихання рослин

Продуктивність вторинна • Біомаса, а також енергія і леткі біогенні речовини, що виробляються усіма консументами на одиниці площі за одиницю часу

Продуктивність екосистеми • Кількість біомаси, що продукується організмами екосистеми протягом певного часу (місяць, рік) на одиницю поверхні чи об'єму води

Біомаса • Кількість живої речовини на одиниці площі чи об'єму місцеперебування в момент спостереження • Визначається сумою біомаси усіх популяцій, що населяють дану екосистему • Статичний параметр, тому визначають суху біомасу • Суха біомаса – кількість біомаси на одиницю площі або об'єму води

Біологічна продуктивність • Відтворення біомаси на 1 м 2 площі (чи в 1 м 3 об'єму) за одиницю часу і виражається найчастіше в грамах вуглецю чи сухої органічної речовини

Продукція екосистем • Валова первинна продукція – загальна кількість створеної органічної речовини • Чиста первинна продукція – те, що залишилось після витрат на дихання

Біологічна продукція • Первинна біологічна продукція – створюють рослини (продуценти) • Вторинна біологічна продукція створюють гетеротрофи (консументи, редуценти) в результаті споживання рослинної і тваринної біомаси

Питома продуктивність • Первинна – відношення продуктивності певної ділянки суходолу до її площі. Характеризує ефективність трансформації сонячної енергії в біомасу рослинних угруповань залежно від рясності та видового складу • Вторинна – відношення показника продуктивності до показника біомаси конкретної біосистеми. Характеризує швидкість акумуляції енергії одиницею біомаси певної екосистеми

Біологічна продуктивність екосистеми залежить: • Кількість ресурсів ґрунту (поживних речовин, вологи) • Атмосфери • Сонячного світла • Тепла

Продуктивність екосистем • Тропічні ліси – найпродуктивніші екосистеми (2 – 3 кг на 1 м 2 за рік чистої продукції) • Середня продуктивність екосистем Землі – 0, 3 кг на 1 м 2 за рік • Загальна річна продукція сухої органічної речовини на планеті Земля становить близько 200 млрд. тон

Фітобіомаса • • • Вологи тропіки – більше 500 т / 1 га Тайга – від 300 до 400 т Степ – 125 – 150 т Тундра – 12, 5 – 25 т Арктика – 2, 5 – 5 т Субтропічні та тропічні пустелі – до 2, 5 т/га

Екологічна стійкість екосистем • Властивість системи зберігати притаманні їй риси і особливості (склад і структуру) за умов впливу факторів, що виводять систему зі стану рівноваги

Екологічна стійкість екосистем • Пружна • Резистентна

Пружна стійкість • Притаманний системам, коли у відповідь на збурюючий вплив виходить зі стану рівноваги, але з припиненням дії цього чинника повертається до вихідного стану • Пірогенні угруповання

Резистентна стійкість • Система зберігає притаманні їй структурно – функціональні особливості до певної межі (певних значень) збурюючого чинника; але коли його інтенсивність перевищить певну критичну межу – система виходить зі стану рівноваги, до якого вона вже не зможе повернутись •

Екологічна сукцесія • Розвиток, при якому в межах однієї території (біотопу) відбувається послідовна зміна одного біоценозу іншим в напрямку підвищення стійкості екосистеми

Клімакс • Угруповання, найбільш адаптоване до комплексу кліматичних умов, що склались