Лекция 2. Экология популяций

Популяция, её структура и свойства. Основные характеристики и параметры популяции. Кривые выживания. Кривые роста популяции. r и k стратегии.

Популяция – это исторически сложившаяся естественная совокупность особей данного вида, связанных между собой определёнными взаимоотношениями и приспособлением к жизни в условиях определённого района.

Различают географические и экологические популяции.

Географическая популяция – это группа особей одного вида, населяющие территории с однородными условиями существования.

Экологическая популяция – это группа особей одного вида, находящихся в таких условиях, где любые две могут явно вероятно скреститься друг с другом.

Экологическая популяция является подсистемой географической популяции. Каждая популяция имеет определённую структуру: возрастную, пространственную и др. Каждая популяция имеет определённую численность и амплитуду колебаний этой численности.

Все живые организмы существуют только в форме популяций. Изучение структуры и динамики популяций имеет большое практическое значение. Не зная закономерностей жизнедеятельности популяций нельзя обеспечить разработку научно обоснованных инженерных мер приятии по рациональному использованию и охране природных ресурсов.

В общем случае популяцией называют совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией (панмиксия).

Популяция, по мнению академика С.С. Шварца, дирижирует свою судьбу, дирижируя физиологическим состоянием слагающих индивидов. Это очень важное положение, подчеркивающее сложно внутрипопуляционных процессов, взаимоотношений между особями, слагающими популяцию.

Каждая популяция имеет определенную структуру: возрастную (соотношение особей разного возраста), сексуальную (соотношение полов), пространственную (колонии, семьи, стаи и т.п.). Кроме того, каждая популяция, обитающая в том или ином месте, имеет определенную численность и амплитуду колебаний этой численности. Структура популяции, ее численность и динамика численности опре­деляется экологической нишей данного вида, а именно: соответствий ем условий местообитания (т.е. режима факторов среды) требования (т.е. толерантности), слагающих популяцию организмов.

Поэтому, прямо или косвенно влияя на животный и растительный мир, человек всегда воздействует на популяции, меняет их параметры и структуру, зачастую нарушая их соответствие реальным режимам экологических факторов. В ряде случаев это может привести к гибели популяции. Типичный пример — резкое снижение численности многих животных которые ныне занесены в Красную книгу и рассматриваюткак исчезающие или находящиеся на грани уничтожения. Крайний случай — это уничтожение (генотип) вида, особенно если вид состоит из одной популяции. Так прошло со стеллеровой коровой, странствующим голубем, европейским быком — туром.

Основные параметры популяции — ее численность и плотность.

Численность популяции — это общее количество особей на данной территории или в данном объеме.

Плотность популяции – это численность популяции, отнесённая к единице площади или объёма.

Численность популяции – это количество особей данного вида в популяции.

Численность популяции не бывает постоянной, и колеблется в том или ином пределе.

В любой природной системе поддерживается та численность особей в популяциях обитающих здесь животных и растений, которая в наибольшей степени отвечает интересам воспроизводства. Режим численности зависит от постоянно действующих регулирующих (управляющих) экологических факторов.

Популяции могут быть более или менее многочисленными: у одних видов они представлены десятками экземпляров, у других — десятками тысяч. Популяции бактерий или простейших в активном иле аэротенков (устройство для чистки сточных вод) состоят из мил­лиардов особей.

Численность бактерий в аэротенке или биофильтре определяет качество работы этих сооружений. В сельском и лесном хозяйстве от численности растительноядных видов зависит наносимый ими ущерб. Не зная фактической численности и состояния популяций редких и исче­зающих видов, невозможно вести работу по их охране и воспроизводству.

Для того, чтобы сравнить численность одной и той же популя­ции в разные отрезки времени, например, в разные годы, пользуются таким относительным показателем, как плотность популяции.

Так плотность популяции лося и других теплокровных животных определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га.

заселение почвенных беспозвоночных соотносится с квадратным метром. При характеристике популяций микроорганизмов в активно иле используют количество особей в 1 см³.

Зная изменение плотности во времени или пространстве, можно установить, увеличивается или уменьшается численность осе. Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности взаимоотношений между различными животными, между животными и растениями, поскольку все они являются биотическими факторами отношению друг к другу. Плотность может зависеть и от колебаний абиотических факторов среды. Для каждого вида существуют оптимальными пределы плотности его популяций. Варьирование плотности в объеме каждой популяции зависит от состояния всей экологической системы.

Численность и плотность популяции — не случайные величины. Они предопределены не только режимами экологических факторов в данное время, но и всем предшествующим развитием данной популяции, предыдущих поколений в том или ином сообществе принято говорить, что объем популяции определяется стациальной (с — местообитание) емкостью экосистемы для представителей попу; данного вида или емкостью места локализации экологической ниши.

Колебания численности живых организмов, населяющих или иную экологическую систему, имеют очень важное значение человека, поскольку многие животные и растения являются объектами его хозяйственной деятельности или причиной какого-либо ущерба. Поэтому знание закономерностей динамики численности популяций необходимо для прогнозирования возможных нежелательных явлений и внесения в случае необходимости корректив в эту динамику! целью управления ею.

Изменение численности особей в популяции влияет на плотность. Если плотность изменяется в практически постоянном объем стации, увеличение численности особей возможно лишь до определенного предела, который допускает емкость экологической ниши, конкретный момент времени численность особей в популяции дает ее рождаемость и смертность. В зависимости от соотношения этих показателей говорят о балансе популяции. Если рождаемость выше, чем смертность, то популяция численно растет и наоборот.

Рождаемость популяции — численно выраженная способность популяции к увеличению, или количество особей, родившихся за определенный период.

Эта способность зависит от множества факторов: соотношение в популяции самцов и самок, количества половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, обеспеченности кормом, или погодных условий и др. Низкая плодовитость, характерная для видов, которые проявляют большую заботу о потомстве, и, наоборот, высокая плодовитость говорит о плохих условиях выживания. Например рыба-луна, которая совершенно не заботится о своем потомствеоткладывает порядка 300 млн. икринок. Такие заботливые родители как горбуша и корюшка откладывают 1500 и 100 икринок, соотственно. Они охраняют икру и личинки от вредных внешних воздействий и от уничтожения ее хищниками. Некоторые насекомые способны давать 2-3 поколения в год, т.е. 2-3 раза в году откладывают яйца в количестве нескольких сотен; мышевидные грызуны, с пеиодом беременности около месяца и коротким периодом становле­ния половой зрелости, дают 5-6 поколений; крупные теплокровные животные вынашивают плод несколько месяцев, достигают способно­сти к воспроизводству на 3-4-й год и рождают всего 1-2 детенышей. Бактерии и простейшие, размножающиеся делением, повторяют этот акт многократно в течение нескольких часов.

Итак, если в популяции имеется 500 способных к размноже­нию особей (N₀ = 500) и в течение 10 дней (ДТ =10) родилось 50 но­вых (AN₀ = 50), то рождаемость составит Р = 50: 10 = 5, или в пере­счете на одну особь Р = AN₀ / (AT-N₀) = 50 / (10-500) = 0,01.

Смертность популяции (С) — это количество особей, погибших за определенный период. Она бывает очень высокой и изменяется в зависимости от ус­ловий среды, возраста и состояния популяции. У большинства видов смертность в раннем возрасте всегда бывает выше, чем у взрослых особей. Однако встречаются и такие виды, у которых смертность приблизительно одинакова во всех возрастах или преобладает у особей старших возрастов (рис. 1.).

Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана влиянием абиотических факторов (низкие и высокие темпе туры, ливневые осадки и град, избыточная и недостаточная влажность и др.). биотическими факторами (отсутствие корма, инфекционные заболевание, враги и т.д.), в том числе и антропогенными (загрязнение окружающей среды, уничтожение животных, вырубка деревьев и др.).

Учитывая в тех или иных практических задачах численность популяции, всегда имеют дело с выжившими на данный момент времени особями. Поэтому фактической характеристикой состояния популяции является выживаемость. Под выживаемостью понимается доля особей в популяции, доживших до определенного момента времени или до возраста размножения. Кривые выживания, отображают естественную смертность в каждой популяции.

Дрозофила

Число выживающих особей

Время Рис. 1. Кривые выживания

У людей в первой половине жизни процент смертности незначителен, затем резко возрастает. Нечто похожее — у дрозофилы и большинства насекомых. У гидры, у чайки — смертность постоя» на протяжении всей жизни. У устрицы — высокий процент смертности у молодых особей и низкий у пожилых.

У большинства видов продолжительность жизни самок на 1 го больше, чем самцов.

Если поместить популяцию в стабильную среду, из которой искусственно изъяты все ограничивающие факторы, то численность популяции будет возрастать по экспоненциальному закон.

Естественный прирост популяции можно представить отношением числа особей, на которое увеличилась популяция за единицу времени к начальному значению ее численности.

Таков случай человеческой популяции, зависимость численности которой от времени описывается экспонентой, во всяком с. до настоящего времени.

Опыт показывает, что люди являются исключением — никакой другой вид животных не следует этому закону. Существуют ограничивающие факторы, которые приводят количество особей каждого „да к оптимальному значению, совместимому со средой его обитания.

Например, если при очень благоприятных условиях популяция дает вспышку размножения, то начинают складываться условия кон­куренции между особями. Тогда для популяции выгодно, чтобы часть особей перестала размножаться и рост численности замедлился. Такие механизмы в природе работают очень четко.

Возьмем грызунов. На каком-то этапе их размножения, при определенной плотности внутри сообщества, начинают обостряться внутренние отношения — из-за территории, из-за самок. Агрессивные формы отношений начинают преобладать над коммуникативными. Возникает обстановка стресса, который может увеличить гибель особей в популяции или блокировать поступление в кровь половых гормонов. Не обязательно это происходит через стресс, есть и другие механизмы.

Нередка и противоположная картина: если чрезмерно распло­дились хищники или мало корма, то популяция резко сокращается. Тогда включаются механизмы, стимулирующие размножение.

Идет процесс саморегуляции — популяция всегда стремится достичь

Некоторые типы динамики популяций: A-j-образная кривая экспоненциального роста; Б - s-образная (логистическая) кривая; В - экспоненциальный рост и такое же падение численности; М и К- нижний и верхний пределы возможной численности.

Мы сталкиваемся с этим в реальной жизни. Например, вед борьбу с грызунами с помощью ядов. Стопроцентного уничтожен» вредителей никогда не удается достичь. Кто-то засел в норе, кто-то был за пределами зон обработки. И вот эти уцелевшие единичные представители через некоторое время, усиленно размножаясь, увеличивают численность популяции.

Следовательно, всегда существует предельно высокая (К) низкая (М) численность и плотность популяции, переступить которую для популяции невозможно, рис. 1.

В этом случае возможны два варианта дальнейшей динам» данной популяции:

1. Численность стабилизируется и в целом ее динамика будет характеризоваться так называемой логистической (S — образно кривой).

2. После достижения предела К наступает массовая гибель особей, возвращающая численность популяции к некоторому нижнему пределу, после чего нарастание может начаться вновь. Подобные колебания численности около среднего значения (пределы биотической загруженности среды) типичны для многих животных.