Экология популяций и биоценозов 1 Структура популяций 2

Экология популяций и биоценозов 1. Структура популяций. 2. Структура биоценоза. 3. Экосистема как основная единица функционирования живой природы.

1. Структура популяций • Все живые организмы, для того чтобы обеспечить устойчивое существование и воспроизводство в условиях изменяющихся экологических факторов, должны существовать группами, которые называются популяциями. • ПОПУЛЯЦИЯ – это любая совокупность особей одного вида, способных обмениваться генетической информацией, обладающих всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности и существующих неопределенно длительное время на данной территории (В. В. Маврищев, 2000). • Каждый вид состоит из одной или нескольких популяций.

Популяции бывают нескольких типов: равновесные, или наиболее устойчивые (многолетние растения, позвоночные животные), находящиеся в состоянии равновесия с ресурсами и их плотностью; оппортунистические (однолетние растения, насекомые), дающие в процессе роста регулярные или случайные всплески, чередующиеся со спадами численности.

Каждая популяция занимает определенную экологическую нишу, обеспечивающую совокупность всех требований организмов, обитающих в ней, к факторам окружа ющей среды и месту, где эти требования удовлетворяются.

Популяции характеризуются рядом признаков. К таким характеристикам относятся статические и динамические показатели структуры. С помощью СТАТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ характеризуется структура популяции на данный момент времени. К статическим показателям относятся: 1. Численность. 2. Плотность популяции. 3. Размерный показатель структуры. 4. Половой показатель структуры. 5. Возрастной показатель структуры.

1. ЧИСЛЕННОСТЬ ПОПУЛЯЦИИ – это количество особей данного вида в популяции. Численность популяции не бывает постоянной и колеблется в том или ином пределе. При низкой численности популяций уменьшается вероятность скрещивания, ухудшаются показатели естественного отбора. Виды, находящиеся под угрозой исчезновения, заносят в особые перечни – Красные книги. Эти виды находятся под особой охраной государств и международных организаций.

2. ПЛОТНОСТЬ ПОПУЛЯЦИИ – это численность популяции, отнесенная к единице площади или объема. Особи в популяциях могут находиться в скученном состоянии (группами), равномерно и случайно друг от друга. Популяции разных видов различным образом распределены по своим местообитаниям для того, чтобы иметь больше преимуществ в обеспечении пищей, убежищем и другими ресурсами, избегать или защищать себя от хищников или, наоборот, чтобы найти жертву. Равномерное распределение особей в пространстве возможно только при антропогенном вмешательстве, например при: возделывании сельскохозяйственных культур, посадке зеленых насаждений, содержании в клетках животных и т. п.

3. РАЗМЕРНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СТРУКТУРЫ характеризует соотношение особей различной размерности. 4. ПОЛОВОЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СТРУКТУРЫ характеризует соотношение в популяции мужских и женских особей. 5. ВОЗРАСТНОЙ ПОКАЗАТЕЛЬ СТРУКТУРЫ характеризует соотношение особей разных возрастных периодов: пререпродуктивного, репродуктивного и пострепродуктивного.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СТРУКТУРЫ характеризуют изменения в популяции за определенный промежуток времени. К динамическим показателям относятся рождаемость (Р) и смертность (С). Изменение уровня рождаемости или уровня смертности является основной реакцией большинства видов на объем доступных ресурсов или другие изменения окружающей среды.

Благоприятные изменения обычно вызывают увеличение популяции путем превышения рождаемости над смертностью. Неблагоприятные изменения приводят к обратному процессу.

Особи некоторых видов животных могут избежать или уменьшить действие резкого изменения факторов окружающей среды, покидая территорию своего обитания (эмиграция) и мигрируя на другую (иммиграция) с более благоприятными экологическими условиями и лучшей обеспеченностью ресурсами. Таким образом, четыре фактора – рождаемость, смертность, иммиграция и эмиграция – определяют скорость изменения числа особей в популяции за определенный промежуток времени.

РОЖДАЕМОСТЬ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ – это количество выжившего, вылупившегося или родившегося потомства в популяции за определенный промежуток времени. Рождаемость характеризуется: Скоростью рождаемости - это соотношение родившегося потомства к первоначальному числу особей в популяции за определенный промежуток времени:

Едва ли не каждый организм способен увеличить свою численность до заселения всей Земли при условии достатка пищи, воды, пространства и защиты от врагов. Этот процесс называется максимальной рождаемостью популяции. При неограниченных ресурсах такие быстроразмножающиеся виды, как бактерии, насекомые, мыши и некоторые рыбы, могут сделать это за короткий отрезок времени. Например, при отсутствии ограничений: вид бактерии холеры полностью заселил бы нашу планету за 30 дней, вид курицы домашней – за 6 000 дней, вид африканских слонов – за 376 000 дней. Почему же этого не происходит? Потому что природные условия не столь идеальны, а ресурсы ограничены.

Максимальный размер популяции одного вида, который природная экосистема способна поддерживать в определенных экологических условиях неопределенно долго, называется поддерживающей емкостью экосистемы для данного вида или просто емкостью экосистемы.

При ограниченных ресурсах размеры популяции того или иного вида также ограничены, и смертность начинает расти, когда численность популяции достигает или временно превышает емкость экосистемы.

СМЕРТНОСТЬ ОРГАНИЗМОВ – это количество погибших, умерших особей в популяции за определенный промежуток времени. Смертность характеризуется: Скоростью смертности - это соотношение умерших особей к первоначальному числу особей в популяции за определенный промежуток времени:

Смертность особей и возрастная структура видов зависят от того, какие шансы для выживания имеют особи в различных возрастных группах. Наглядную информацию дает кривая выживаемости отдельных видов (кривая дожития):

Демографические таблицы населения

2. Структура биоценоза. В процессе жизнедеятельности различные популяции, заселяющие общие места обитания, неизбежно вступают во взаимоотношения. Это связано с питанием, совместным использованием жизненного пространства и др. В результате формируются многовидовые сообщества – биоценозы (греч. bios – жизнь, coenosis – общий).

БИОЦЕНОЗ – это сочетание популяций растений, животных, микроорганизмов, взаимодействующих друг с другом в пределах данной среды обитания и образующих тем самым особую живую систему со своим собственным составом, структурой, взаимоотношениями со средой, развитием и функциями.

Каждому биоценозу соответствует зона с однородными абиотическими экологическими факторами, называемая биотопом (греч. topos – место). Иногда биотоп отождествляют с местообитанием. Но биотоп является более широким понятием – это абиотическая среда биоценоза.

В биоценозе устойчивые взаимоотношения осуществляются только на уровне популяций, входящих в состав данного биоценоза. Различают взаимоотношения: пространственные – распределение в пространстве, конкуренция за местообитание и убежища; пищевые – питание одних видов другими, конкуренция за источники питания и др. ; средообразующие – формирование определенной структуры биотопа, микроклимата и пр.

• Стабильность взаимоотношений является результатом длительных взаимоадаптаций. • Результатом таких взаимоотношений является возможность поддержания основной функции биоценозов – осуществление и стабильное поддержание биогенного круговорота веществ.

Структура биоценоза пространственная видовая трофическая

Пространственная структура биоценоза включает его вертикальную и горизонтальную структуры. Вертикальная структура биоценоза образована отдельными его элементами, особыми слоями, которые называются ярусами (синузиями). ЯРУС – совместно произрастающие группы видов растений, различающиеся по высоте и по положению в биоценозе ассимилирующих органов.

Неоднородность в горизонтальном направлении – мозаичность – свойственна практически всем фитоценозам, поэтому в их пределах выделяют структурные единицы, которые получили разные названия: парцеллы, микрогруппировки, микроценозы, микрофитоценозы и др.

Мозаичность обусловлена рядом причин: неоднородностью микрорельефа, почв, средообразующим влиянием растений и их биологическими особенностями, в результате деятельности животных или человека

Трофическая структура биоценоза По способу питания живые организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. АВТОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ – это организмы, способные синтезировать все необходимые им органические вещества из неорганических, используя в качестве источника энергии свет или некоторые неорганические соединения. Автотрофные организмы в зависимости от вида используемой энергии подразделяются на фототрофные и хемотрофные.

Фототрофы, или автотрофы – это зеленые растения. Они являются основным источником свободного кислорода в атмосфере, и они же создают и наибольшее количество органического вещества, т. е. являются истинными продуцентами.

Фототрофные организмы

• Хемотрофные организмы – это организмы, которые образуют органическое вещество за счет химической энергии ряда неорганических соединений. К этой группе организмов относятся бактерии, микроорганизмы и некоторые простейшие.

ГЕТЕРОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ – это организмы, которые в качестве источника энергии для жизнедеятельности используют разные органические или неорганические соединения. К ним относятся все высшие животные, в том числе и человек. По способу производства и накопления энергии и органического вещества они могут быть консументами или редуцентами.

В процессе питания энергия и вещество, содержащиеся в организмах одного трофического уровня, потребляются организмами другого уровня. Такой перенос энергии и вещества от продуцентов через ряд гетеротрофных организмов в процессе питания называется пищевой цепью. Минеральные вещества Источник энергии (солнце) Мертвое органическое вещество Продуценты Консументы Редуценты Первичное органическое вещество 1 пор. Детритофаги 2 пор.

В природе организмы, питающиеся одним видом пищи (монофаги), встречаются крайне редко. Немногочисленны и олигофаги, набор питания которых представлен небольшим набором видов. Большинство консументов (полифаги) использует в пищу широкий набор кормовых объектов. В результате формируются пищевые сети, содержащие множество цепей питания. Этим обеспечивается непрерывность круговорота веществ, т. к. всегда возможны нарушения отдельных пищевых цепей.

• Трофические уровни экосистем в биосфере Трофический уровень – это совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию от Солнца через одинаковое число ступеней

3. Экосистема как основная единица функционирования живой природы

Живая и неживая природа образуют единое целое. Понятие «экосистема» (экологическая система) ввел в 1935 г. Артур Тенсли. Экосистема – это комплекс живых организмов в сочетании с неживой природой и присущими ей экологическими факторами. • В современном понимании: Экосистема – это совокупность совместно проживающих популяций и неживой среды их обитания, взаимодействующих со средой таким образом, что поток энергии создает четко определенную трофическую структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри этой системы.

Выделяют: • микроэкосистемы (например, покрытый мхом камень, болотная кочка, придорожная лужа), • мезоэкосистемы (озеро, болото, песчаная дюна, лесная поляна, луг) и • макроэкосистемы (континент, океан, коралловый риф).

Экосистемой высшего ранга является Биосфера

Различают водные и наземные экосистемы

В одной природной зоне экосистемы могут быть слиты в однородные комплексы или разделены другими экосистемами.

Энергетическая классификация экосистем • 1) природные, движимые Солнцем, несубсидируемые; • 2) природные, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками энергии; • 3) движимые Солнцем и субсидируемые человеком; • 4) индустриально-городские, движимые топливом (ископаемым, другим органическим или ядерным).

Экосистемы, измененные сельскохозяйственной деятельностью человека, называются агроэкосистемами (поля, сады, огороды, цветники, виноградники и т. д. ).

Основой агроэкосистем являются культурные фитоценозы – многолетние и однолетние травы, зерновые, овощные и другие сельскохозяйственные растения. Такие экосистемы получают дополнительно энергию извне в виде сельскохозяйственных удобрений, пестицидов, гербицидов, поливных вод и обработок земли и прочих воздействий, что существенно преобразует почвы, изменяет видовой состав и структуру флоры и фауны.

Агросистемы – это яркий пример дополнительно субсидируемых экосистем. Здесь дополнительная энергия поступает в виде мышечных усилий человека и животных, работы машин, использующих горючее, орошения, внесения удобрений, пестицидов и т. п.

4. Динамика и стабильность экосистем В естественных экосистемах постоянно происходят изменения состояния популяции организмов. Они вызываются разными причинами: погодные условия, различные сочетания факторов среды и пр. Однако все эти колебания, как правило, более или менее регулярны и не выходят за границы устойчивости экосистемы – ее обычного размера, видового состава, биомассы, продуктивности, соответствующей конкретным географическим и климатическим условиям местности.

Циклические изменения

Поступательные изменения

Существенные изменения географической обстановки или ландшафта, например, под влиянием природных катастроф или хозяйственной деятельности человека, приводят к определенным изменениям состояния биогеоценозов местности и к постепенной замене одних сообществ другими. Такие изменения называются экологической сукцессией Сукцессии могут быть первичными или вторичными

Первичная сукцессия – это постепенное заселение организмами появившейся девственной суши, оголенной материнской породы.

Вторичная сукцессия имеет характер постепенного восстановления свойственного данной местности сообщества после произошедших климатических или иных нарушений (буря, пожар, вырубка леса, наводнение и др. ).

Равновесие в экосистемах поддерживается гомеостазом Гомеостаз − это состояние подвижно-стабильного равновесия экосистемы. Рост популяции жертвы (заяц) →+ −← Рост популяции хищника (рысь) обратная положительная и отрицательная связь

При некоторых условиях обратная связь может быть нарушена. Например, на зайцев стал охотиться другой хищник, или среди зайцев возникла инфекционная болезнь. При этом происходит нарушение сбалансированности системы, которое может быть обратимым или необратимым. При массовой гибели зайцев экосистема за счет обратной отрицательной связи не может компенсировать отклонения. Тогда данная система прекратит свое существование.

Та область, в пределах которой механизмы отрицательной обратной связи способны сохранить устойчивость системы, хотя и в измененном виде, называют гомеостатическим плато. !!! Экосистемы тем стабильнее во времени и пространстве, чем они сложнее, т. е. чем больше видов организмов и пищевых связей.

Энергетические процессы в экосистемах Переход вещества и энергии с одного трофического уровня на другой связан с потерями. Американский эколог Р. Линдеман сформулировал закон пирамиды энергий (закон 10 -ти процентов), согласно процентов) которому, с одного трофического уровня через пищевые цепи на другой трофический уровень переходит в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Остальная часть энергии теряется в виде теплового излучения, на движение и т. д. Организмы в результате процессов обмена теряют в каждом звене пищевой цепи около 90% всей энергии, которая расходуется на поддер жание их жизнедеятельности. Эта закономерность изображается графически в виде экологических пирамид.

Закон 10 -ти процентов:

Пирамида чисел отражает численность организмов на каждом трофическом уровне.

Пирамида биомасс – это графическая модель последовательного расположения биомасс популяций естественных экологических систем на каждом трофическом уровне (продуценты, консументы I порядка и т. д. )

Пирамида энергий численно характеризует энергетические процессы в пищевых цепях. Она отражает величину потока энергии, скорость прохождения массы пищи через пищевую цепь и позволяет подсчитать КПД каждого перехода потока энергии с одного трофического уровня на другой и КПД всей трофической цепи в целом. Установлено, что максимальная величина энергии, передающейся на следующий трофический уровень, может в некоторых случаях составлять 30% от предыдущего, и это в лучшем случае. Во многих биоценозах, пищевых цепях величина передаваемой энергии может составлять всего лишь 1%.