Экология. Сообщества и популяции

1. Экология

Кафедра высшей математики и естественнонаучных дисциплин
Экология
Майшанова М.И.
к.б.н., доцент

2.

Тема 2.
Сообщества и популяции.
2

3.

Учебные вопросы
1.Типы взаимодействия организмов
2.Законы и следствия пищевых
отношений
3.Законы конкурентных отношений в
природе
4.Популяции
3

4.

1. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОРГАНИЗМОВ
4

5.

Взаимополезные
5

6.

6

7.

7

8.

Полезно-нейтральные
8

9.

9

10.

10

11.

11

12.

полезно-вредные
12

13.

13

14.

Взаимовредные
14

15.

15

16.

16

17.

2. ЗАКОНЫ И СЛЕДСТВИЯ ПИЩЕВЫХ ОТНОШЕНИЙ
Все живые организмы связаны между собой и не могут существовать отдельно друг от
друга, образуя биоценоз, включающий в себя растения, животных и микроорганизмы.
Компоненты окружающей биоценоз среды (атмосфера, гидросфера и литосфера) образуют
биотоп Живые организмы и среда их обитания образуют единый природный комплекс —
экологическую систему.
Постоянный обмен энергией, веществом и информацией между биоценозом и биотопом
формирует из них совокупность, функционирующую как единое целое — биогеоценоз.
Биогеоценоз является устойчивой саморегулирующейся экологической системой, в
которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с
неорганическими (воздух, вода, почва) и представляет собой минимальную составную
часть биосферы.
Термин "биоценоз" ввёл немецкий зоолог и ботаник К. Мёбиус в 1877 году для описания
всех организмов, заселяющих определённую территорию и их взаимоотношений.
Концепция биотопа была выдвинута немецким зоологом Э. Геккелем в 1899 году, а сам
термин "биотоп" ввёл в 1908 году профессор Берлинского зоологического музея Ф. Даль.
Термин "биогеоценоз" в 1942 году ввёл российский геоботаник, лесовод и географ
В. Сукачёв.
17

18.

Любой биогеоценоз является экологической системой Любой
биогеоценоз является экологической системой, однако, не
каждая экологическая система является биогеоценозом
(экологическая система может не включать в себя почву или
растения, например, заселённые в процессе разложения
различными организмами ствол дерева или погибшее
животное).
Различают два вида экологических систем:
1) естественные — созданные природой, устойчивые во
времени и не зависящие от человека (луг, лес, озеро, океан,
биосфера и т.п.);
2) искусственные — созданные человеком и неустойчивые во
времени (огород, пашня, аквариум, теплица и т.п.).
18

19.

Важнейшим свойством естественных экологических
систем является их способность к саморегулированию
— они находятся в состоянии динамического
равновесия, поддерживая свои основные параметры во
времени и в пространстве.
При любом внешнем воздействии, выводящем
экологическую систему из состояния равновесия в ней
усиливаются процессы, ослабляющие данное
воздействие и система стремится вернуться в состояние
равновесия — принцип Ле Шателье – Брауна.
Природную экологическую систему из состояния
равновесия выводит изменение её энергии в среднем на
1% (правило одного процента).
Важнейшим выводом из приведённого выше правила
является ограничение потребления биосферных
ресурсов относительно безопасной величиной в 1%, при
том, что в настоящее время данный показатель
19
примерно в 10 раз выше.

20.

В экологических системах живые организмы В
экологических системах живые организмы связаны между
собой трофическими (пищевыми) связями, по месту в
которых они делятся на:
1) продуцентов, производящих из неорганических веществ
первичные органические (зелёные растения);
2) консументов, не способных самостоятельно производить
органические вещества из неорганических и потребляющих
готовые органические вещества (все животные и
большинство микроорганизмов);
3) редуцентов, разлагающих органические вещества и
преобразующих их в неорганические (бактерии, грибы,
некоторые другие живые организмы).
20

21.

Трофические связи, обеспечивающие перенос энергии и вещества
между живыми организмами, лежат в основе трофической (пищевой)
цепи, образованной трофическими уровнями, заполненными живыми
организмами, занимающими одинаковое положение в общей
трофической цепи. Для каждого сообщества живых организмов
характерна своя трофическая структура, которая описывается
экологической пирамидой, каждый из уровней которой отражает массы
живых организмов (пирамида биомасс), либо их численность (пирамида
чисел Элтона), либо энергию, заключённую в живых организмах
(пирамида энергий).
С одного трофического уровня экологической пирамиды на следующий,
более высокий, передаётся, в среднем, не более 10% энергии — закон
Линдемана (правило десяти процентов). Поэтому трофические цепи,
как правило, включают в себя не более 4–5 звеньев, а на концах
трофических цепей не может находиться большого количества крупных
живых организмов.
Графические модели в виде пирамид разработал в 1927 году британский
21
эколог и зоолог Ч. Элтон.

22.

При изучении биотической структуры экосистем становится
очевидным, что одними из важнейших взаимоотношений
между организмами являются пищевые, или трофические,
связи.
Термин "цепь питания" предложил Ч. Элтон в 1934 году.
Цепи питания, или трофические цепи, - это пути
переноса энергии пищи от ее источника (зеленого
растения) через ряд организмов на более высокие
трофические уровни.
Трофический уровень - это совокупность всех живых
организмов, относящихся к одной звена пищевой цепи.
22

23.

23

24.

24

25.

25

26.

26

27.

27

28.

28

29.

29

30.

30

31.

31

32.

32

33.

3. ЗАКОНЫ КОНКУРЕНТНЫХ ОТНОШЕНИЙ В ПРИРОДЕ
Совместное проживание на одной и той же территории сходных
видов со сходными же потребностями неминуемо приводит к
вытеснению или полному вымиранию одного из видов.
В опытах Г.Ф.Гаузе были использованы два вида инфузорий:
туфелька хвостатая и туфелька ушастая. Эти два вида питаются
бактериальной взвесью, и если они находятся в разных пробирках,
то прекрасно себя чувствуют. Гаузе помещал данные схожие виды в
одну пробирку с сенным настоем и пришел к следующим
результатам:
- если инфузориям давали бактериальную взвесь, то постепенно
исчезали особи туфельки хвостатой (они более чувствительны к
продуктам жизнедеятельности бактерий), численность туфельки
ушастой также уменьшалась по сравнению с контрольной
пробиркой;
- если в пробирках вместо бактерий использовали дрожжи, то
исчезали особи инфузории ушастой.
33

34.

Г. Ф. Гаузе (1910–1986)
Опыт Гаузе: конкуретное исключение
34

35.

Г.Ф.Гаузе выведен закон конкурентного исключения:
близкие
виды
со
схожими
экологическими
требованиями не могут длительно совместно
существовать.
Из этого следует, что в природных сообществах будут
выживать только те
виды, у которых имеются
различные экологические требования. Особенно
интересны случаи акклиматизации человеком тех
видов, которых в данных экологических условиях
раньше не было. Обычно таки случаи приводят к
исчезновению схожих видов.
35

36.

Однако, в природе может наблюдаться совместное успешное
обитание совершенно схожих видов: синицы после выведения
потомства объединяются в совместные стайки для поиска корма.
Оказалось, что синицы используют для поиска корма различные
места – длиннохвостые синицы обследуют концы ветвей,
синицы – гаички толстые основания ветвей, большие синицы
обследуют и снег, и пни, и кусты.
Кроме того, если экосистемы богаты видами, то вспышек
отдельных видов не происходит. Хуже обстоит дело в тех
экосистемах, где человек, уничтожая один вид, дает возможность
другому виду неограниченно размножаться.
Конкуренция — один из основных типов
взаимозависимости видов, влияющих на состав природных
сообществ.
36

37.

4. ПОПУЛЯЦИИ
Популяция (populus – от лат. народ.
население) – одно из центральных понятий
в биологии и обозначает совокупность
особей одного вида, которая обладает
общим генофондом и имеет общую
территорию.
Популяция – группировка особей, которая
является формой существования вида и
способна
самостоятельно
развиваться
неопределенно долгое время (Шварц С.С.).
37

38.

1. три типа популяций:
• элементарная,
• экологическая,
• географическая
38

39.

39

40.

Элементарная (локальная) популяция – это совокупность
особей одного вида, занимающих небольшой участок однородной
площади. Между ними постоянно идет обмен генетической
информацией.
ПРИМЕРЫ. Одна из нескольких стай рыб одного вида в озере.
40

41.

Экологическая популяция – совокупность
элементарных популяций, внутривидовые
группировки, приуроченные к конкретным
биоценозам. Растения одного вида в ценозе
называются ценопопуляцией. Обмен генетической
информацией между ними происходит достаточно
часто.
ПРИМЕРЫ. Рыбы одного вида во всех стаях общего
водоема; древостои в монодоминантных лесах,
представляющих одну группу типов леса: травяных,
лишайниковых или сфагновых лиственничников
(Магаданская область, север Хабаровского края).
41

42.

42

43.

Географическая популяция – совокупность экологических
популяций, заселивших географически сходные районы.
Географические популяции существуют автономно, ареалы их
относительно изолированы, обмен генами происходит редко – у
животных и птиц – во время миграций, у растений – при разносе
пыльцы, семян и плодов. На этом уровне происходит
формирование географических рас, разновидностей,
выделяются подвиды
ПРИМЕРЫ. Известны географические расы лиственницы
даурской (Larix dahurica): западная (к западу от Лены (L.
dahurica ssp. dahurica) и восточная (к востоку от Лены,
выделяемая в L. dahurica ssp. cajanderi), северная и южная расы
лиственницы курильской.
43

44.

44

45.

45

46.

2. Основные характеристики популяций
Численность – общее количество особей на
данной территории или в данном объеме.
Плотность – количество особей или их
биомасса на единице площади или объема.
В природе происходит постоянные колебания
численности и плотности.
46

47.

Динамика численности и плотности
определяется в основном рождаемостью,
смертностью и процессами миграции.
Это показатели, характеризующие
изменение популяции в течение
определенного периода: месяца, сезона,
года и т.д.
47

48.

48

49.

Пространственное
распределение
особей
популяциях
бывает случайным,
групповым
равномерным.
в
и
49

50.

50

51.

51

52.

52

53.

53

54.

54

55.

Популяция зубров на Кавказе
55

56.

Рождаемость различают абсолютную и удельную.
Абсолютная рождаемость – это количество новых
особей, появившихся за единицу времени,
а удельная – то же самое количество, но отнесенное к
определенному числу особей.
Например, показателем рождаемости человека служит
число детей, родившихся на 1000 человек в течение
года. Рождаемость определяется многими факторами:
условиями среды, наличием пищи, биологией вида
(скорость полового созревания, количество генераций
в течение сезона, соотношение самцов и самок в
популяции).
56

57.

ПРИМЕР.
Одуванчик за 10 лет способен заполонить весь
земной шар, при условии, что все его семена
прорастут. Исключительно обильно семеносят ивы,
тополя, березы, осина, большинство сорных
растений. Бактерии делятся каждые 20 минут и в
течение 36 часов могут сплошным слоем покрыть
всю планету.
Очень высока плодовитость у большинства видов
насекомых и низка у хищников, крупных
млекопитающих
57

58.

58

59.

59

60.

60

61.

61

62.

62

63.

63

64.

Смертность, как и рождаемость, бывает
абсолютной (количество особей, погибших за
определенное время), так и удельной.
Она характеризует скорость снижения
численности популяции от гибели из-за
болезней, старости, хищников, недостатка
корма, и играет главную роль в динамике
численности популяции.
64

65.

Различают три типа смертности:
- одинаковый на всех стадиях развития; встречается
редко, в оптимальных условиях;
- повышенная смертность в раннем возрасте;
характерна для большинства видов растений и
животных (у деревьев к возрасту зрелости доживает
менее 1% всходов, у рыб – 1-2% мальков, у насекомых
– менее 0,5% личинок);
- высокая смерть в старости; обычно наблюдается у
животных, чьи личиночные стадии проходят в
благоприятных мало изменяющихся условиях: почве,
древесине, живых организмах.
65

66.

Стабильные, растущие и сокращающиеся популяции
В стабильной популяции темпы рождаемости и
смертности близки, сбалансированы.
66

67.

67

68.

В растущей популяции рождаемость
превышает смертность. Для растущих
популяций характерны вспышки
массового размножения
68

69.

69

70.

70

71.

Если смертность превышает рождаемость, то
такая популяция считается сокращающейся
71

72.

 Окапи.
72

73.

3. Структура и динамика популяций
Динамика, состояние и воспроизводство популяций
согласуются с их возрастной и половой структурой.
Возрастная структура отражает скорость обновления
популяции и взаимодействие возрастных групп с
внешней средой.
Она зависит от особенностей жизненного цикла,
существенно различающегося у разных видов
(например, птиц и у млекопитающих хищников), и
внешних условий.
73

74.

В жизненном цикле особей обычно
выделяют три возрастных периода:
1.предрепродуктивный,
2.репродуктивный
3.и пострепродуктивный.
74

75.

75

76.

76

77.

77

78.

Соотношение возрастных групп в структуре
популяции характеризуют
ее
способность
к
размножению и выживанию, и согласуется с
показателями рождаемости и смертности.
В растущих популяциях с высокой рождаемостью
преобладают
молодые
(рис.
2),
еще
не
репродуктивные особи, в стабильных – обычно это
разновозрастные,
полночленные
популяции,
у
которых регулярно определенное число особей
переходит из младших возрастных групп в старшие,
рождаемость равна убыванию населения. В
сокращающихся популяциях основу составляют
старые особи, возобновление в них отсутствует или
совсем незначительно.
78

79.

79

80.

Половая структура по генетическим законам
должна быть представлена равным
соотношением мужских и женских особей, т.е.
1:1. Но в силу специфики физиологии и
экологии, свойственной разным полам, в силу
их разной жизнеспособности, влияния
факторов внешней среды, социальных,
антропогенных могут быть значительные
различия в этом соотношении.
И эти различия неодинаковы как в разных
популяциях, так и в разных возрастных группах
одной и той же популяции
80

81.

Сильно различаются между собой самцы и самки комаров (сем.
Culicidae): по темпам роста, срокам полового созревания,
устойчивости к изменению температуры. Самцы в стадии имаго не
питаются совсем или питаются нектаром, а самкам необходимо
напиться крови для полноценного оплодотворения яиц. У некоторых
видов мух популяции состоят только из самок.
81

82.

82

83.

83

84.

4.
Экологические
популяций
стратегии
Среди всех приспособлений и особенностей можно
выделить комплекс основных признаков, которые
называются экологической стратегией.
Это общая характеристика роста и размножения
данного вида, включающая темп роста особей,
период
достижения
ими
половой
зрелости,
периодичность размножения, предельный возраст и
пр.
Экологические стратегии очень разнообразны и хотя
между ними существует множество переходов, из них
можно выделить два крайних типа:
r-стратегию и K-стратегию.
84

85.

r-стратегия – ею обладают быстро
размножающиеся виды (r-виды); для нее
характерен отбор на повышение скорости
роста популяции в периоды низкой
плотности.
Она характерна для популяций в среде с
резкими и непредсказуемыми изменениями
условий
или
в
эфемерных,
т.е.
существующих
короткое
время
(пересыхающие лужи, заливные луга,
временные водотоки)
85

86.

К r-видам относятся бактерии, все однолетние растения (сорняки) и
насекомые-вредители (тли, листоеды, стволовые вредители, стадная
фаза саранчи). Из многолетников – пионерные виды: Иван-чай, многие
злаки, полыни, эфемерные растения, из древесных видов – ивы,
березы белая и каменная, осина, из хвойных – лиственница; они
появляются первыми на нарушенных землях: гарях, горных полигонах,
строительных карьерах, по обочинам дорог.
86

87.

K-стратегия – этой стратегией обладают виды с
низкой
скоростью
размножения
и
высокой
выживаемостью (К-виды); она определяет отбор на
повышение выживаемости при высокой плотности
популяции, приближающейся к предельной.
К К-видам относятся все хищники, человек, реликтовые
насекомые (крупные тропические бабочки, в т.ч.
дальневосточные, реликтовый усач, жук-олень, жужелицы и
др.), одиночная фаза саранчи, почти все деревья и
кустарники. Наиболее яркие представители растений – все
хвойные, дуб монгольский, орех маньчжурский, лещины,
клены, разнотравье, осоки.
87

88.

88

89.

89

90.

Список литературы
1.Степановских А.С. Общая экология: Учебник для
вузов. М.: ЮНИТИ, 2001. 510 с.
2.Радкевич В.А. Экология. Минск: Вышэйшая школа,
1998. 159 с.
3.Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи,
популяции и сообщества / Пер. с англ. М.: Мир, 1989.
Том. 2..
4.Шилов И.А. Экология. М.: Высшая школа, 2003. 512 с.
(СВЕТ, циклы)
90