Взаимоотношения организмов и среды. Популяция, биоценоз, экосистема

Тема 1. Взаимоотношения  организмов и среды. Популяция, биоценоз, экосистема.

Задание 5.Динамика популяций.

Динамика популяции —  это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени. При этом особое значение в изучении этой динамики придается изменениям численности особей, биомассы и популяционной  структуры.

Еще в XVII в. было установлено, что численность популяций растет по закону геометрической прогрессии, а уже в конце XVIII в. Томас Мальтус (1766—1834) выдвинул свою  известную теорию о росте народонаселения в геометрической  прогрессии. Эта закономерность роста выражается кривой, изображенной на рис.1.

Рис. 1. Экспоненциальный рост гипотетической популяции одноклеточного организма, делящегося каждые 4 часа: а  — арифметическая шкала; б — логарифмическая  шкала.

На современном математическом языке эта кривая  отражает экспоненциальный рост численности организмов и  описывается  уравнением:

N = N е,

где: N — численность популяции  в момент времени t;

N — численность популяции  в начальный момент  времени  t0;

е — основание натурального логарифма (2,7182);

r — показатель, характеризующий темп размножения особей в данной популяции.

Экспоненциальный рост возможен только тогда, когда r имеет постоянное численное значение, так как скорость роста популяции пропорциональна самой численности:

∆N/∆t = rN, a r — const.

Если численность отложить в логарифмическом  масштабе, то кривая приобретает вид прямой линии (рис.1б).

Таким образом, экспоненциальный рост численности  популяции — это рост численности ее особей в неизменяющихся условиях. Условия, сохраняющиеся длительное время постоянными, невозможны в природе. Если бы это было не так, то,  например, обычные бактерии могли бы дать такую массу  органического вещества, которая могла бы покрыть весь земной шар слоем толщиной в 2 метра за 2 часа.

Однако такого в природе  не происходит, так как существует множество ограничивающих факторов. Но есть примеры,  когда при замедлении роста, т. е. при снижении r,  экспоненциальный рост сохраняется, может он возникать и на коротких отрезках жизни популяций.

Чтобы иметь полную картину  динамики численности популяции, а также рассчитать скорость ее роста, необходимо знать величину так называемой чистой скорости  воспроизводства (R) которая показывает, во сколько раз увеличивается численность популяции за одно поколение, за время его жизни Т.

R = N /N ,

где Nt — численность нового поколения;

N — численность особей предшествующего поколения;

R — чистая скорость воспроизводства, показывающая  также, сколько вновь родившихся особей приходится на одну особь поколения родителей.

Если Ro = 1, то популяция стационарная, численность ее сохраняется постоянной.

Скорость роста популяции  обратно пропорциональна  длительности жизни поколения 

r = lnR/T,

отсюда ясно, что чем  раньше происходит размножение  организмов, тем больше скорость роста популяции. Это в равной степени относится  и к популяции человека, отсюда важность значения этой закономерности в демографической политике  любого государства.

Воздействие экологических  факторов на скорость роста  популяции  может довести численность популяции  до стабильной (r=0), либо ее уменьшить, т. е. экспоненциальный рост  замедляется или останавливается полностью и J-образная кривая  экспоненциального роста как бы останавливается и выполаживается, превращаясь в так называемую S-образную кривую (рис.1.1.)

Рис.1.1.Логистическая модель роста популяции : а — кривая роста численности (N); б — зависимость удельной скорости роста (r) от численности (N); в — зависимость рождаемости (b) и смертности (d) от численности; К — предельная численность.

 

В природе так и происходит: экспоненциальный рост наблюдается какое-то достаточно короткое время, после чего ограничивающие факторы его стабилизируют и дальнейшее развитие популяции идет по логистической модели, что и  описывается S-образной, или логистической кривой роста популяции. В основе логистической модели (рис. 2) лежит простое допущение, что скорость роста популяции (  ) линейно снижается по мере роста численности вплоть до нуля при некой  численности К.Итак, при начальной численности No (близкой к

нулю) скорость роста имеет  максимальное значение rmax, а при N = К rа = 0. В результате решения уравнения логистической кривой получаем зависимость:

 

 

где Nt — численность популяции в момент времени t;

е — основание натурального логарифма;

а — постоянная итерирования.

Величину К называют еще емкостью среды в отношении особей данной популяции. Здесь речь идет о биологической емкости среды — степени способности природного или природно-антропогенного окружения обеспечивать нормальную жизнедеятельность (дыхание, питание, размножение, отдых и т. п.) определенному числу организмов и их сообществ без  заметного нарушения самого окружения (Реймерс, 1990).

Однако плато на S-образной кривой далеко не всегда бывает гладким, потому что колебания численности происходят  постоянно, что отражается в виде колебаний кривой вокруг  асимптоты К (рис.1.2.), эти колебания называются флуктуациями  численности, которые могут быть сезонными годовыми. Первые обусловлены абиотическими факторами, вторые, плюс к этому, еще и внутренними, биотическими. Колебания, вызванные биотическими факторами, называют осцилляциями (рис.1.3). Они отличаются высокой регуляцией и их даже называют циклами. Многие факторы, природные и антропогенные, вызывающие флуктуации, в значительной мере можно учесть, введя в формулу поправочные коэффициенты. Такие формулы позволяют прогнозировать реальный рост популяции животных и подобные процессы в демографии людского населения.

В настоящее время уже  достаточно примеров, подтверждающих логистическую модель как на чисто природных объектах, так и на природно-антропогенных. Например, А. М. Гиляров (1990) приводит сведения о размножении северных оленей, интродуцированных (вселенных в местообитания, где они  раньше не проживали) на острове Берингова моря. С небольших когорт, состоящих из нескольких десятков особей, в течение ряда лет рост численности по экспоненциальному закону  приводил к возникновению популяции оленей, состоящей из  нескольких тысяч голов. Затем наблюдалось резкое падение  численности тоже до нескольких десятков голов за короткое  время — 1—3 года. Причина — полное уничтожение пищевых  ресурсов, которыми обладали эти острова

Рис.1.2.Преобразование J-образной кривой роста численности популяции в S-образную кривую при ограничивающем воздействии лимитирующих факторов (по Т. Миллеру, 1993).

 

Рис.1.3.Изменение численности рыси и зайца — классический пример циклических колебаний популяции.

 

 

 

 

 

 

Тема 2. Глобальные экологические проблемы. Биосфера.

Задание 6. Роль живого вещества в биосфере.

Живое вещество — совокупность ее живых организмов в биосфере. Термин введён В.И. Вернадским, который  выделял живое вещество в ряду других типов веществ, слагающих  биосферу (биогенное, косное, биокосное и др.) 
       Химический состав живого вещества подтверждает единство природы — он 

состоит из тех же элементов, что неживая природа (рис.2).

Рис.2. Участие различных химических элементов в построении живого вещества атмосферы, гидросферы и литосферы (относительные числа атомов) (по В. Лархеру, 1978). Выделены самые распространенные элементы.

Однако соотношение этих элементов различное и строение молекул иное (рис.2.1.).

 

Рис. 2.1. Структурные формулы  некоторых органических соединений живой клетки.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер  Земли. По подсчетам ученых, его масса  составляет 2420 млрд т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли — атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду — в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов.

Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое  и химическое разнообразие, чем неживое. Различие между вирусом и африканским  слоном гораздо значительнее, чем  между песчинкой и горой Эльбрус. Известно более 2 млн органических соединений, входящих в состав живого вещества, в то время как количество природных соединений (минералов) неживого вещества всего около 2 тыс. Кроме того, живое вещество не бывает представлено исключительно жидкой или газовой фазой.

Работа живого вещества в биосфере проявляется в двух основных формах: 1) биохимической, связанной  с превращением живой материи  и выделением во внешнюю среду  продуктов метаболизма; 2) механической, выражающейся в процессе прохождения  компонентов пищи через желудочный тракт и перемещении самого живого вещества в ходе жизнедеятельности. Еще Ч.Дарвин подсчитал, что почвенный  пласт мощностью 1 м дождевые черви  пропускают через свой кишечник за 200 лет.

Помимо общебиологических  живое вещество обладает целым рядом  специфических свойств.Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией, причем ее количество прямо пропорционально массе живого вещества. Периодически в природе происходят всплески энергии, с ее резким увеличением образуется колоссальное скопление живого вещества, например, в период массового размножения. Во время воспроизводства себе подобных кулиги саранчи достигают 120 км длины и 20 км ширины.

В живом веществе реакции происходят в тысячи, а  иногда в миллионы раз быстрее, чем  в неживой материи, благодаря  наличию ферментов. Некоторые гусеницы потребляют и перерабатывают в сутки  пищи в 200 раз больше, чем весят  сами.

Слагающие живое  вещество индивидуальные химические соединения — белки, ферменты и др. — устойчивы  только в живых организмах. В значительной мере это относится и к минеральным  соединениям, входящим в состав живого вещества. Например, моллюски, живущие  в кислых водах, в которых может  легко раствориться вещество их известковой  раковины, покрывают его снаружи  хитином.

Живое вещество заполняет  собой все возможное пространство как за счет пассивного движения (размножение), так и за счет активного — направленного  перемещения.

Живое вещество представлено в биосфере в виде дискретных тел  —организмов, размеры которых варьируют в необыкновенно широких пределах: от 20 нм (1 нм = 109 м) у вирусов до 100 м у некоторых деревьев. Гигантские растения эвкалипты достигают высоты до 150 м. Наиболее крупные синие киты имеют длину тела до 30 м. Масса такого кита достигает 150 т, что соответствует массе 25 слонов или 150 быков. Приблизительное количество видов на Земле превышает 2 млн, не говоря уже о количестве особей (табл. 1).

 

Растения		Животные
Всего.                              Около	500000	Всего                     Более	1500000
В том числе:		В том числе:
водоросли	26000	простейшие	15000
бактерии и грибы	100000	черви	19000
лишайники	18000	моллюски	105000
мохообразные	20000	насекомые	1000000
папоротникообразные	6000	хордовые	48000
голосеменные	600	птицы	10000
покрытосеменные	200000—300000	млекопитающие	6000

Табл. 1. Число видов  основных типов растений и животных.

Живое вещество существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений и генетически  связано с живым веществом  прошлых геологических эпох. Доказательством  служит неизменное число хромосом у  особей одного вида на протяжении всего  времени его существования.

Характерная  черта  живого  вещества  — эволюционный процесс. Воспроизводство организмов происходит не по типу абсолютного копирования предыдущих поколений, а путем морфологических и биохимических изменений. Человек, имея значительное сходство со своими предками, отличается от них рядом морфологических, психических и биохимических особенностей.

Рассматривая живое  вещество как геологическую силу, В.И.Вернадский охарактеризовал его  разнообразные биогеохимические функции:

- первая функция  - газовая — основные газы атмосферы  Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей  органики;

- вторая функция  - концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются  диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария),  фосфора — скелеты позвоночных животных;

- третья функция  - окислительно-восстановительная -организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же  осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

-четвертая функция - биохимическая — размножение, рост вещества;

-пятая функция - биогеохимическая деятельность  человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и

бытовых нужд человека.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: I)резервный  фонд — это  огромная масса движущихся веществ, не связанных с  организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный  прямым обменом биогенным  веществом  между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать  биосферу в целом, то в ней можно  выделить: 1) круговорот газообразных веществ  с  резервным фондом в атмосфере  и гидросфере (океан) и 2) осадочный  цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

 В связи с этим  следует отметить лишь  один-единственный  на Земле процесс, который не  тратит, а, наоборот,  связывает  солнечную энергию и даже накапливает  ее — это  создание органического  вещества в результате фотосинтеза.  В  связывании и запасании  солнечной энергии и заключается   основная планетарная функция  живого вещества на Земле.