Динамика популяций. Какое влияние популяция растений оказывает на популяцию животных

Динамика популяций. Какое влияние популяция растений оказывает на популяцию животных

Энергетика и продукция экосистемы
Первичная продукция на Земле создается в клетках зеленых растений при использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций такие вещества, как вода и диоксид углерода, соединяются в молекулы сахаров (в част­ности, глюкозы) с выделением свободного кислорода. Согласно второму началу термодинамики, любые виды энергии в конечном счете переходят в тепловую форму и рас­сеиваются. Многие химические реакции связаны с выделени­ем свободной энергии, т. е. с рассеиванием ее по градиенту. Для того чтобы могли совершаться жизненные процессы (ра­бота), энергия солнечного излучения должна накапливаться в экосистеме против термодинамического градиента. Суть фотосинтеза состоит в том, что происходит увеличение сво­бодной энергии в органическом веществе за счет преобразо­вания космической энергии фотона солнечного света (hv) в энергию хи­мических связей органического вещества (Q):
6С02 + 6Н20= С6Н1206 + 602 + Q.
Замечательной особенностью специфических органических соединений клетки (пигментов) является то, что усваиваемая ими энергия фотонов не деградирует в тепловую, не рассеива­ется в пространстве, а наоборот - в последовательной цепи хи­мических реакций преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах. К. А. Тимирязев писал, что все органические вещества, сколь бы разнообразны они ни были и где бы они ни находились (в растении, живот­ном), - прошли через зеленый лист. В этом состоит космическая роль растений.
Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. Животные, в отличие от растений и бактерий, не могут осуществлять реакции фотосинтеза, а вынуждены использовать солнечную энергию опосредован­но - через органическое вещество, созданное фотосинтети­ками. Поскольку растения строят свой организм без посредни­ков, их называют самопитающимися или автотрофами.
Организмы, которые не могут строить собственное веще­ство из минеральных компонентов, вынуждены использовать то, что создано автотрофами, поедая их. Они называются по­этому гетеротрофами, что означает «питаемый другими». Одна­ко далеко не все организмы могут для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваться потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Многим видам эволюция предопределила необходимость использования животных белков со специфич­ным набором аминокислот. Это - плотоядные животные.
Цепи питания и поток энергии в биоценозе
Ряд взаимосвязанных видов, из которых каждый предыду­щий служит пищей последующему, носит название цепи питания, или трофической цепи. Пищевая цепь, или цепь питания— это перенос энергии от растения через ряд организмов путем поедания одних видов другими. Таким образом, цепи питания — это трофические связи между видами (от греч. «трофе» — питание). Разные уровни питания в экологической системе называют трофическими уров­нями. В основе цепи питания (первый трофический уровень) лежат зеленые растения— продуценты. Вто­рой— первичные консументы (растительноядные жи­вотные), третий — вторичные консументы (плотоядные животные, поедающие растительноядных) и т. д. Очевидно, что звенья (и входящие в них организмы), об­разующие пищевую, или трофическую, цепь, неравнознач­ны, в первую очередь, с точки зрения занимаемого места. Поэтому в экологии принято говорить не просто о звеньях цепи, а об определенных трофических уровнях. На первом уровне, очевидно, находятся зеленые растения - про­дуценты; следующий трофический уровень составляют расти­тельноядные организмы; за ними следуют представители бо­лее высокого уровня - плотоядные организмы, которые, в свою очередь, служат источником питания для следующего уровня - плотоядных второго порядка.
Существенно, что пищевые цепи в природе обычно включают 3—4 звена. Это обусловлено тем, что большая часть получаемой энергии (80—90%) используется организмами на поддержание жизнедеятельности и построение тела. По этой причине на каждом последую­щем трофическом уровне число особей прогрессивно уменьшается. Так, в среднем из 1000 кг растений образуется 100 кг тела травоядных животных. Хищники, поедающие травоядных, могут синтезировать из этого количества 10 кг своей биомассы, а вторичные хищни­ки — только 1 кг. Эта закономерность носит название экологической пирамиды. Экологическая пирамида отражает число особей на каждом этапе пищевой цепи, или количество биомассы, или количество энергии. Все эти величины имеют одинаковую направленность. С каждым звеном в цепи организмы становятся крупнее, они медленнее размножаются, их число уменьшается. Особи вида, занимающего положение высшего звена, свободно размножаются, конкурируют друг с другом, но во взрослом состоянии не имеют врагов и непосред­ственно не истребляются. Ограничивающим фактором здесь является количество пищи, т.е. размер популяции растений.
Например, в дубовом лесу первичным образователем и нако­пителем вещества и энергии являются деревья дуба. Ими пита­ются растительноядные насекомые, например гусеницы опасно­го вредителя из отряда бабочек - непарного шелкопряда. Но на гусеницу нападают другие насекомые, откладывающие свои яй­ца в ее тело. Личинки таких насекомых-паразитов развиваются за счет питания тканями гусеницы. В свою очередь, эти парази­ты могут поедаться другими насекомыми (вторичными парази­тами). Как видим, в экологической системе прослеживается четкая последовательность в развитии одних организмов за счет других, своего рода цепь, состоящая из различных звеньев. Но эта цепь в некоторых звеньях может видоизменяться, поскольку гусеницами могут питаться разные птицы. Цепи могут быть от­носительно простыми, короткими, например "осина — заяц — лиса", и более сложными, например "трава — насекомые—ля­гушки—змеи — хищные птицы". Разные трофические цепи свя­заны между собой общими звеньями в очень сложную систему, которая носит название трофической сети. Очевидно, что наличие обильной кормовой базы (популяции растений) приводит к увеличению количества консументов (популяции животных). Затем, возросшая популяция животных опустошит кормовую базу, т.е. попросту, съест всю траву, что в свою очередь вызовет гибель животных от голода. Такие периодические колебания численности популяций растений и животных получило название популяционных волн, или волн жизни. Причем, наличие в трофической сети эврифагов (животных, питающихся различными видами растений) и викарных (заместительных) видов растений делают популяционные волны менее высокими.
Гомеостаз биогеоценоза
Важнейшим свойством биогеоценоза (экосистемы) является его устойчивость, сбаланси­рованность происходящих в нем процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами, вследствие чего биогеоценозу свойственно состояние так на­зываемого подвижного равновесия, или гомеостаза (от греч. гомео - тот же, подобный, стазис - состояние).
С точки зрения науки, гомеостаз обеспечивается механизмами так называе­мой обратной связи. Принцип обратной связи заклю­чается в том, что некоторый управляющий компонент той или иной системы получает данные (информацию) от управ­ляемых компонентов и использует эту информацию для вне­сения коррективов в дальнейший процесс управления. Тот же принцип действует и в естественных экологических системах. В реальных экосистемах аналогичные взаимодей­ствия существуют между растениеядными животными и их кормовыми растениями, которые также существуют в форме популяций.
Рассмотрим условную экосистему, состоящую из популяций трех популяций: клевера (продуцент) и кролика (консумент I порядка) и лиса (консумент II порядка). В этой системе кролики поедают клевер, а лисы - кроликов. Если численность растений клевера постоянно растет, то кролик, который только этим и питается, имеет возможность увеличить свою численность. В этом проявляется положительная обратная связь. Но поскольку кролик ест клевер, то он, естественно, снижает чис­ленность популяции клевера. В этом проявляется отрицательная обратная связь. Если численность кроликов выше некоторого предела, то это соответственно снизит чис­ленность клевера, что в свою очередь приведет к затруднению добычи пищи и в итоге численность и плотность популяции кроликов снизится, рождаемость упадет, смертность возрастет, а ареал уменьшится.
Теперь очевидно, что увеличение численности популяции лис приведет к увеличению численности популяции растений из-за снижения численности кроликов. В то же время возрастание биомассы корма кролика вызовет и увеличение численности лис (за счет интенсивного питания и размножения кроликов). Однако в таком случае система начинает работать "вразнос" из-за отсутствия механизма отрицательной обрат­ной связи. Фактически же увеличение биомассы растений не может быть беспредельным: оно всецело зависит от абиотиче­ской компоненты среды - почвенных условий, прихода сол­нечной энергии и ассимиляции питательных веществ проду­центами, каковыми и являются растения.
То же самое происходит с насекомыми, питающимися листьями деревьев. Пока биомасса листьев имеется в избытке, насекомые интенсивно размножаются (положительная связь). Но резкое возрастание численности насекомых ведет к снижению биомассы листьев (отрицательная обратная связь) и вызывает гибель самих насекомых из-за нехватки пищи. Понятно, что если бы животные могли съесть все растения, то они вымерли бы сами.
Приведенный пример можно допол­нить введением в схему абиотической компоненты среды. Факторы этой среды, с одной стороны, независимо воздейству­ют на все звенья пищевых цепей, а с другой - также и опо­средованно - на популяции растениеядных организмов через физиологические изменения их кормовых растений, на по­пуляции паразитов и хищников (консументов второго по­рядка) - через изменения физиологии и биохимии их хозяев и жертв (консументов первого порядка). Следовательно, в природных экосистемах гомеостаз опре­деляется не только взаимодействием популяций разных пи­щевых уровней, но и постоянным воздействием абиотических факторов среды.
Например, засушливая теплая погода может приводить к тому, что растения не имеют влаги для транспирации и последняя становится лимитирующим фактором. Следствием может быть гибель растений. В природных экосистемах (особенно лесных) такая погода в течение 2-3 лет способствует массо­вым размножениям растениеядных насекомых, которые уберут часть "лишнего" транспирационного аппарата де­ревьев.
В естественной сбалансированной экологической системе все время под­держивается равновесие, исключающее необратимое уничтожение того или иного вида. Т.е, численность популяции растений и животных всегда будет держаться на определенном уровне. Это является следствием длительного эволюционного процесса, который Дарвин назвал естественным отбором. В ис­тории развития жизни на Земле таким образом не прошли "проверки отбором" тысячи видов животных и растений.
Колебания численности и гомеостаз популяций
В природе численность популяций испытывает колебания. В связи с размерами ареала популяций может значительно изме­няться и численность особей в популяциях. Так, у насекомых и мелких растений открытых пространств численность особей в отдельных популяциях может достигать сотен тысяч и миллионов особей. Напротив, популяции животных и растений могут быть и сравнительно небольшими по численности. На одном из озер Подмосковья численность популяции стрекоз достигала около 30 тыс. особей, численность популяций прыткой ящерицы — от нескольких сотен до несколь­ких тысяч особей, а численность популяций земляной улитки — лишь 1000 экземпляров.
В связи с тем, что любая популяция обладает строго определен­ной генетической, фенотипической, половозрастной и другой струк­турой, она не может состоять из меньшего числа индивидов, чем необходимо для обеспечения стабильной реализации этой структу­ры и устойчивости популяции к факторам внешней среды. В этом и состоит принцип минимального размера популя­ций. Минимальная численность популяций, обеспечивающая существование вида, является специфической для разных ви­дов. Выход за пределы минимума грозит для популяции гибе­лью. Дальнейшее сокращение, например, тигра на Дальнем Во­стоке, неизбежно приведет к их автоматическому вымиранию из-за того, что оставшиеся единицы, не находя с достаточной частотой партнеров для размножения, вымрут на протяжении немногих поколений. В таком же положении могут оказаться и редкие растения, такие, как орхидея, «венерин башмачок» и другие.
Закономерно предположить, что если есть минимум разме­ра популяций, то возможен и максимум. Такое предположение помимо логической посылки основывается на соотношении за­конов максимума биогенной энергии и давления среды. Ю. Одум формирует закон как правило популяционного максиму­ма. Популяции эволюционируют так, что регуляция их плотнос­ти осуществляется на значительно более низкой по сравнению с верхней границей емкости местообитания, достигаемой лишь в том случае, если полностью используются ресурсы энергии и пространства. При росте плотности популяции снижается обес­печенность пищей. У многих животных от потребления пищи прямо зависит плодовитость: при увеличении плотности попу­ляции плодовитость падает, и это предотвращает дальнейший рост численности.
Заключение
Живые организмы, входящие в состав биоценоза, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. Животные не могут осуществлять реакции фотосинтеза, а вынуждены использовать солнечную энергию опосредован­но - через органическое вещество, созданное фотосинтети­ками – растениями. Таким образом, в биогеоценозе образуется цепь по­следовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, или так называемая трофическая цепь. В любой экологической системе популяции находятся в различных взаимодействиях, суть которых в обобщенной форме можно обозначить либо как антагонистические, либо синергические.
В биогеценозе постоянно происходят разно направленные изменения параметров популяций растения и животных, таких как: численность и плотность популяции, рождаемость, смертность, ареал. Такие колебания получили название «популяционные волны». В саморегулирующейся системе, которой является биогеоценоз, эти колебания контролируются по принципу обратной связи.
В естественной сбалансированной экологической системе все время под­держивается равновесие, исключающее необратимое уничтожение того или иного вида. Это является следствием длительного эволюционного процесса. Любая экосистема всегда сбалансирована, устойчива (гомеостатична).