Моделирование природных процессов в решении экологических проблем.

Введение
1.Моделирование природных процессов в решении экологических проблем
1.1. Математическое моделирование природных процессов и хозяйственной деятельности человека, прогнозирование изменений в окружающей среде с помощью математических моделей и ЭВМ, модели идеализированных экосистем
1.2. Метеорологические наблюдения и модели глобальных климатических процессов
1.3. Модель устойчивого развития
2. Популяция. Основные свойства, имеющие значения для хоз-ва, антропогенные воздействия на популяцию
2.1. Общее понятие о популяции
2.2. Количественные оценки популяции как отражение сущности и её экологической ниши
2.3. Скорость роста численности, рождаемость, смертность, интенсивность иммиргации и эмиграции
2.4. Динамика популяции как баланс протекающих в ней процессов
2.5. Механизмы регуляции, численность популяции: генетические, этологические и физиологические
2.6. Виды антропогенных воздействий на популяции организмов
Заключение
Список литературы

Моделирование природных процессов в решении экологических проблем.

2.1. Общее понятие о популяции
Популяция (позднелат. populatio, от лат. populus — народ, население) в генетике, экологии и эволюционном учении – совокупность особей одного вида, более или менее длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений; особи одной популяции имеют большую вероятность скрещиваться друг с другом, чем с особями других популяций, так как данная совокупность особей отделена от других таких же совокупностей особей формой изоляции. Основная характеристика популяции как элементарной единицы эволюционного процесса – её генетическое единство: в пределах популяции в той или иной степени осуществляется свободное скрещивание. Вместе с тем особям, составляющим популяции, присуща генетическая гетерогенность (изменчивость), определяющая приспособленность популяции к различным условиям среды обитания. Популяция имеет сложную структуру: особи различаются по полу и возрасту, принадлежности к разным, обычно перекрещивающимся поколениям, к разным фазам жизненного цикла, к тем или иным малоустойчивым группировкам внутри популяции (стадо, колония, семья и т.д.).
2.2. Количественные оценки популяции как отражение сущности и её экологической ниши
Численность и плотность выражают количественные характеристики популяции как целого.
Численность – это общее количество особей популяции. Обычно численность популяций составляет сотни и тысячи особей. У крупных наземных млекопитающих численность популяций может снижаться до нескольких десятков особей (микропопуляции). У растений и беспозвоночных существуют также мегапопуляции, численность которых достигает миллионов особей.
В популяциях, стабильных по численности, число особей, оставляющих потомство, должно оставаться постоянным в ряду поколений.
Плотность – среднее число особей на единицу площади или объема пространства, занимаемого популяцией. Плотность можно выражать также как массу (биомассу) членов популяции на единице площади или в единице объема.
Сравнительно многочисленные популяции могут обладать низкой плотностью. Низкая плотность снижает внутривидовую конкуренцию и повышает шансы отдельных членов популяции на выживание. При низкой плотности популяция не оказывает заметного влияния на функционирование сообществ и экосистем; например, энергия, затраченная хищником на поиск жертвы, не компенсируется энергетическими выгодами от съеденной жертвы – тогда становится бессмысленной пищевая специализация хищника.
Возможна и обратная ситуация: сравнительно малочисленная популяция может обладать высокой плотностью. В этом случае гарантируется образование брачных пар. При малочисленности, но высокой плотности популяция может оказывать значительное влияние на функционирование сообществ и экосистем.
Таким образом, низкая плотность популяции уменьшает ее шансы на воспроизведение, но увеличивает шансы на выживание. Высокая плотность, наоборот, увеличивает шансы на воспроизведение, но уменьшает шансы на выживание. Следовательно, каждая конкретная популяция должна обладать некоторой оптимальной плотностью.
Распределение плотности популяции тесно связано с ее пространственной структурой. Существует множество типов пространственной структуры популяций и, соответственно, типов популяционных ареалов: сплошные, разорванные, сетчатые, кольцевые, ленточные и комбинированные.
2.3. Скорость роста численности, рождаемость, смертность, интенсивность иммиргации и эмиграции
Рождаемость – это число новых особей (зигота, яйцо, личинка или особь, вышедшая из-под родительской опеки), появляющихся в популяции за единицу времени.
Различают абсолютную и относительную рождаемость. Абсолютная рождаемость – это абсолютное число новых особей за какой-либо период времени. Относительная (удельная) рождаемость – отношение числа новых особей к числу имевшихся 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).
В отличие от рождаемости смертность наблюдается постоянно. Характер смертности описывается таблицами и кривыми выживаемости, которые показывают, какая часть новорожденных особей дожила до определенного возраста.
Убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости их иммиграции и эмиграции, т. е. от количества особей, прибывших и убывших в популяции в единицу времени.
Относительный прирост популяции – разность между относительной рождаемостью и относительной смертностью. Это важнейшая характеристика популяции (обычно обозначается символом r). Относительный прирост популяции может быть положительным, нулевым и отрицательным.
Для изолированной популяции: прирост = рождаемость – смертность. Для открытой популяции: прирост = (рождаемость + иммиграция) – (смертность + эмиграция).
Абсолютный прирост популяции. Этот показатель представляет собой это изменение абсолютной численности популяции за бесконечно малый промежуток времени. Абсолютное изменение численности популяции в единицу времени обозначается выражением dN/dt.
Если относительный прирост популяции (r) – величина постоянная (не зависит от численности популяции), то изменение численности популяции описывается моделью неограниченного (экспоненциального) роста численности популяции. В этом случае численность популяции в данный момент времени зависит, в первую очередь, от величины r.
Однако в реальных сообществах всегда существуют лимитирующие факторы, ограничивающие численность популяций. Максимально возможная численность популяции в данных условиях называется ёмкость экологической ниши и обозначается символом К. В этом случае изменение численности популяции описывается логистическим уравнением, которому соответствует кривая ограниченного роста. Периодические изменения численности популяций называются популяционными волнами.
Популяции видов, у которых рождаемость и смертность в значительной мере зависят от действия внешних факторов, быстро изменяют свою численность. Такой способ воспроизведения популяций называется r–стратегия. r–Стратеги (эксплеренты) характеризуются низкой конкурентоспособностью, высокой плодовитостью, отсутствием заботы о потомстве, 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. Они поддерживают численность, близкую к величине К, поэтому способ воспроизведения таких популяций называется К–стратегия. К–Стратеги (виоленты) характеризуются высокой конкурентоспособностью, низкой плодовитостью, заботой о потомстве, длительным развитием и длительной продолжительностью жизни.
Кроме того, выделяется еще и S–стратегия. S–Стратеги (патиенты) населяют местообитания с неблагоприятными условиями жизни для большинства организмов, в которых конкуренция практически отсутствует.
2.4. Динамика популяции как баланс протекающих в ней процессов
Динамика популяции — это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени.
Главное значение в изучении динамики популяции придается изменениям численности, биомассы и популяционной структуры в результате действия абиотических (не зависящих от численности и плотности самой популяции) и биотических (зависящих от численности и плотности популяции) факторов. Динамика популяции — одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений. Можно сказать, что жизнь популяции проявляется в ее динамике.
Выделяют три вида популяционных динамик: стабильный (изменение численности популяции в несколько раз); изменчивый (колебания численности в десятки раз); взрывной (периодическое превышение средней численности в сотни и тысячи раз).
Конечно, далеко не все процессы, протекающие в популяции и обеспечивающие определенную динамику ее численности, можно непосредственно увидеть, а тем более измерить. Количественная оценка тех или иных динамических показателей немыслима без принятия некоторых априорных допущений (модели) о том, как должны проходить характеризуемые этими показателями процессы.
2.5. Механизмы регуляции, численность популяции: генетические, этологические и физиологические
Любая природная популяция характеризуется своим оптимальным значением плотности, при отклонении от которого в большую или меньшую сторону начинают работать механизмы ее внутренней регуляции . Основным механизмом является действие биотических факторов, зависящих от плотности популяции . Абиотические факторы влияют на смертность особей, но самостоятельно не создают равновесие в популяции .
К важнейшим биотическим факторам, определяющим регуляцию численности равновесных популяций, относят внутривидовую конкуренцию, межвидовую конкуренцию, сложные поведенческие и физиологические механизмы, перестройку генетической структуры популяции.
1. Генетические механизмы регуляции.
Гипотеза отбора генетически детерминированных стереотипов поведения, или гипотеза Читти [4]. Суть идеи в том, что на разных стадиях популяционного цикла отбор может благоприятствовать животным с разным темпераментом и стилем поведения. Когда численность популяции мала, преимущество получают агрессивные, подвижные особи, способные захватить и удерживать территорию; они обеспечивают расселение популяции. Доля агрессивных особей растет. Однако чем выше становится плотность населения, чем меньше пользы для популяции от большого числа агрессоров, да и для них самих наступают не лучшие времена. Теперь отбор благоприятствует особям с более мирным и спокойным поведением, и число агрессоров начинает снижаться.
Чтобы подтвердить эту гипотезу, нужно показать, что агрессивность тесно связана с территориальностью, и что оба признака наследуются, и что при низкой плотности населения более «приспособленными» являются агрессоры, а при высокой – миролюбцы. Все это пока не доказано строго, хотя имеется ряд косвенных подтверждений, касающихся отдельных видов млекопитающих.
Кроме того, стресс, вызванный перенаселением, может напрямую способствовать генетической «перенастройке» популяции (например, показано, что в потомстве самок, подвергавшихся стрессу, уменьшается доля генотипов с высокой стресс-реактивностью; при стрессе растет также и частота мутирования).
2. Физиологические механизмы регуляции.
Гипотеза физиологических эффектов стресса, обусловленных переуплотнением, или гипотеза Кристиана. Эта гипотеза, подтвержденная многочисленными экспериментами, гласит, что стресс, обусловленный перенаселением, напрямую ведет к подавлению размножения, роста и созревания, а также к повышенной смертности. Этот механизм регуляции численности наиболее выражен у млекопитающих с несбалансированной численностью и высокой удельной скоростью ее роста (мыши, полевки, лемминги). Существуют многочисленные примеры, подтверждающие реальность данного механизма авторегуляции. Стресс, обусловленный высокой плотностью населения, может проявляться в том числе и в росте агрессивности особей (в данном случае, в отличие от предыдущего, речь идет не об отборе «агрессивных» генотипов, а о росте агрессивности под воздействием стресса независимо от генетической предрасположенности). С другой стороны, у многих видов замечена обратная тенденция: снижение агрессивности при росте плотности. Авторы указывают, что связь плотности, агрессивности и стресса далеко не однозначна и при ее изучении необходимо учитывать специфику конкретного вида.
3. Этологические механизмы регуляции