Вопрос 11. Взаимодействие организма и среды. Лимитирующие факторы.

Лимитирующие (ограничивающие) факторы – это 1)любые факторы, тормозящие рост популяции в экосистеме; 2)факторы среды, значение которых сильно отклоняется от оптимума. При наличии оптимальных сочетаний множества факторов один лимитирующий фактор может привести к угнетению и гибели организмов. Например, теплолюбивые растения погибают при отрицательной температуре воздуха, несмотря на оптимальное содержание элементов питания в почве, оптимальную влажность, освещенность и так далее. Лимитирующие факторы являются незаменимыми в том случае, если они не взаимодействуют с другими факторами. Например, недостаток минерального азота в почве нельзя скомпенсировать избытком калия или фосфора. Лимитирующие факторы для наземных экосистем: -температура;-вода;-свет;-питательные вещества в почве. Лимитирующие факторы для водных экосистем: -температура;-солнечны свет -содержание растворенного кислорода; -соленость. Обычно эти факторы взаимодействуют таким образом, что один процесс ограничен одновременно несколькими факторами, и изменение любого из них приводит к новому равновесию. Например, увеличение доступности пищи, и уменьшение давления хищников могут привести к возрастанию численности популяции. Так, фактором, ограничивающим распространение оленей, является глубина снежного покрова; бабочки озимой совки (вредителя овощных и зерновых культур) — зимняя температура  и т. д. Вопрос 12. Взаимодействие организма и среды. Значение физических и химических факторов среды в жизни организма. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Среди них выделяют абиотические и биотические, антропогенные. Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений [4, c.43]. Абиотические факторы - это температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности - это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Среди них различают физические, химические и эдафические. Физические факторы - это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая, вызовет ожог, если очень низкая - обморожение. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде - течение, на суше - ветер и влажность, и т.п. Но есть и физические факторы глобального воздействия на организмы, к которым относятся естественные геофизические поля Земли. Хорошо известно, например, экологическое воздействие магнитного, электромагнитного, радиоактивного и других полей нашей планеты. Химические факторы - это те, которые происходят от химического состава среды. Например, соленость воды. Если она высокая, жизнь в водоеме может вовсе отсутствовать (Мертвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т.д.

Вопрос 13. Взаимодействие организма и среды. Эдафические факторы и их роль в жизни растений и почвенной биоты. Эдафические факторы (от греч. почва) - почвенные условия, которые влияют на жизнь и распространение живых организмов. К эдафическим факторам относят водный, газовый и температурный режимы почвы, её химический состав и структуру. Почву населяют различные почвенные микроорганизмы (бактерии, водоросли, грибы), представители многих групп беспозвоночных (черви, насекомые и их личинки), роющие позвоночные. Организмы, живущие в почве, играют важную роль в формировании плодородия почв и служат одним из важных факторов почвообразования. Почвой называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Состав почвы: минеральная основа (обычно 50-60% общего состава почвы), органическое вещество (до 10%), воздух (15-20%) и вода (25-35%). Минеральный скелет почвы –неорганический компонент, образовавшийся из материнской породы в результате ее выветривания. Скелетный материал обычно произвольно разделяют на мелкий грунт и более крупные фрагменты. Механические и химические свойства почвы в основном определяются теми веществами, которые относятся к мелкому грунту. Органическое вещество образуется при разложении мертвых организмов, их частей (опавших листьев), экскретов и фекалий. Мертвый органический материал используется в пищу совместно детритофагами, которые его поедают и способствуют его разрушению, и редуцентами (грибами и бактериями), завершающими процесс разложения. Не полностью разложившиеся органические остатки называются подстилкой, а конечный продукт разложения – аморфное вещество, в котором уже невозможно распознать первоначальный материал, - получило название гумуса. Гумус играет ключевую роль в плодородии почвы. Самые богатые гумусом почвы - черноземы. Благодаря своим химическим и физическим свойствам, гумус улучшает структуру почвы и ее аэрацию, а также повышает способность удерживать воду и питательные вещества.

Вопрос 14. Взаимодействие организма и среды. Ресурсы живых существ как экологические факторы. «Ресурсы живых существ — это по преимуществу вещества, из которых состоят их тела, энергия, вовлекаемая в процессы их жизнедеятельности, а также места, где протекают те или иные,фазы их жизненных циклов» (Бигон и др., 1989). Зеленое растение создается из неорганических молекул и ионов — вода, углекислый газ, кислород, биогенные вещества—и солнечной радиации в результате фотосинтеза. Неорганические компоненты здесь можно рассматривать как пищевой ресурс, а свет — как ресурс энергетический. Сами растения являются пищевым ресурсом травоядных животных, травоядные — ресурс для хищников, те и другие — пищевой ресурс для паразитов, а после гибели — для деструктуров. В самом общем виде, применительно к человеку "ресурсы - это нечто, извлекаемое из природной среды для удовлетворения своих потребностей и желаний" (Миллер, 1993, т. 1). Потребности человека можно разделить на материальные и духовные. Природные ресурсы в прямом их применении в какой-то части удовлетворяют духовные потребности человека, например эстетические ("красота природы"), рекреационные и т. п. Но главное их назначение - удовлетворять материальные потребности, т.е. создание материальных благ.

Итак, природные (естественные) ресурсы - это природные объекты и явления, которые человек использует для создания материальных благ, обеспечивающих не только поддержание существования человечества, но и постепенное повышение качества жизни.

Природные объекты и явления - это различные тела и силы природы, используемые человеком как ресурсы. Организмы, кроме человека и в значительной степени домашних животных, - черпают живые энергетические ресурсы непосредственно из окружающей природной среды, являясь частью биогеохимических циклов. Эти ресурсы по своему действию можно рассматривать и как экологические факторы, в том числе и как лимитирующие, например большая часть пищевых ресурсов.

Человек, благодаря своим все возрастающим материальным потребностям, не может довольствоваться дарами природы только в той мере, при которой не должен нарушать ее равновесие, т. е. около 1% от ресурсов природной экосистемы, поэтому ему приходится использовать и те природные ресурсы, которые накоплены за миллиарды и миллионы лет в недрах Земли. Для создания материальных благ человеку необходимы металлы (железо, медь, алюминий и др.) и неметаллическое сырье (глина, песок, минеральные удобрения и др.), а также лесная продукция (строительный лес, для производства целлюлозы и бумаги, и т. д.) и многое другое.

Иными словами, природные ресурсы, используемые человеком, многообразны, многообразно их назначение, происхождение, способы использования и т. п. Это требует определенной их систематизации.

Вопрос 15. Популяции и биотические сообщества. Статические и динамические показатели популяций. Популяция — любая способная к самовоспроизведению совокупность особей одного вида, более или менее изолиро­ванная в пространстве и времени от других аналогичных со­вокупностей одного и того же вида» (Гиляров, 1990).Популяция — именно та «ячейка» биоты, которая являет­ся основой ее существования: в ней происходит самовоспро­изводство живого вещества, она обеспечивает выживание ви­да благодаря наследственности адаптационных качеств, она дает начало новым популяциям и процессам видообразова­ния, т. е. является элементарной единицей эволюционного процесса, тогда как вид есть его качественный этап. Известно, что важнейшими являются количественные ха­рактеристики, которые позволяют решить большинство про­блем качественного характера. Выделяют две группы количе­ственных показателей — статические и динамические. Статические показатели характеризуют состояние попу­ляции на данный момент времени. К статическим показателям популяций относятся их чис­ленность, плотность и показатели структуры. Численность — это поголовье животных или количество растений, например деревьев, в пределах некоторой пространственной единицы — ареала, бассейна реки, акватории моря, области, района и т. д. Плотность — число особей, приходящихся на единицу пло­щади.Динамические показатели характеризуют процессы, про­текающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) вре­мени. Основными динамическими показателями (характери­стиками) популяций являются рождаемость, смертность и ско­рость роста популяций. Рождаемость, или скорость рождаемости, — это число особей, рождающихся в популяции за единицу времени. Смертность, или скорость смертности, — это число особей, погибших в популяции в единицу времени. Но убыль или прибыль организмов в популяции зависит не только от рождаемости и смертности, но и от скорости ихиммиграции и эмиграции, т. е. от количества особей, прибывших и убыв­ших в популяции в единицу времени.

Вопрос 16. Популяции и биотические сообщества. Продолжительность жизни. Продолжительность жизни вида зависит от условий (фак­торов) жизни. Различают физиологическую и максимальную продолжительность жизни. Физиологическая продолжительность жизни — это такая продолжительность жизни, которая определяется только фи­зиологическими возможностями организма. Теоретически она возможна, если допустить, что в период всей жизни организма на него не оказывают влияние лимитирующие факторы. Максимальная продолжительность жизни — это такая продолжительность жизни, до которой может дожить лишь малая доля особей в реальных условиях среды. Эта величина варьирует в широких пределах: от нескольких минут у бакте­рий до нескольких тысячелетий у древесных растений (секвойя), т. е. от 10³ до 10¹¹ секунд. Обычно, чем крупнее растение или животное, тем больше их продолжительность жизни, хотя бы­вают и исключения (летучие мыши доживают до 30 лет, это дольше, например, жизни медведя). Смертность и рождаемость у организмов весьма сущест­венно изменяется с возрастом. Только увязав смертность и ро­ждаемость с возрастной структурой популяции, удается вскрыть механизмы общей смертности и определить структу­ру продолжительности жизни. Такую информацию можно по­лучить с помощью таблиц выживания. Таблицы выживания, или еще их называют «демографи­ческими таблицами», содержат сведения о характере распреде­ления смертности по возрастам. Демография изучает разме­щение, численность, состав и динамику народонаселения, а эти таблицы она использует для определения ожидаемой продол­жительности жизни человека. Таблицы выживания бывают ди­намические и статические. Динамические таблицы строятся по данным прямых на­блюдений за жизнью когорты, т. е. большой группы особей, отрожденных в популяции за короткий промежуток времени относительно общей продолжительности жизни изучаемых ор­ганизмов, и регистрации возраста наступления смерти всех чле­нов данной когорты. Такие таблицы требуют длительного на­блюдения, измеряемого (для разных животных) месяцами или годами. Но практически невозможно такую таблицу сделать Для долго живущих животных или для человека — для этого может потребоваться более 100 лет. Поэтому используют дру­гие таблицы — статические. Статические таблицы выживания составляются по данным наблюдений за относительно короткий промежуток времени за смертностью в отдельных возрастных группах. Зная численность этих групп (сосуществующих когорт), можно рассчитать смертность, специфическую для каждого возраста (табл. 3.1, Гиляров, 1990). Такие таблицы представляют собой как бы временной срез через популяцию. Если в популяции не происходит существен­ных изменений в смертности и рождаемости, то статические и динамические таблицы совпадают.

Вопрос 17. Популяция и биотические сообщества. Динамика роста численности популяций. Динамику изменения популяции принято характеризовать скоростью изменения численности популяции. 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. Изучение этих процессов и причин их обусловливающих очень важно для прогнозов состояния популяций.

 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). Согласно правилу максимальной рождаемости (воспроизводства) в идеальных условиях в популяциях появляется максимально возможное количество новых особей; рождаемость ограничивается физиологическими особенностями вида.

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 ив течение 36 часов могут сплошным слоем покрыть всю планету. Очень высока плодовитость у большинства видов насекомых и низка у хищников, крупных млекопитающих.

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.

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.

 

Вопрос 18. Популяции и биотические сообщества. Экологические стратегии выживания. Экологическая стратегия выживания — стремление организмов к выживанию. Экологических стратегий выживания множество. Например, еще в 30-х гг. А. Г. Роменский (1938) среди растений различал три основные типа стратегий выживания, направленных на повышение вероятности выжить и оставить после себя потомство: виоленты, патиенты и эксплеренты. Виоленты (силовики) — подавляют всех конкурентов, например, деревья, образующие коренные леса. Патиенты — виды, способные выжить в неблагоприятных условиях («тенелюбивые», «солелюбивые» и т. п.) Эксплеренты (наполняющие) — виды, способные быстро появляться там, где нарушены коренные сообщества, — на вырубках и гарях (осины), на отмелях и т. д.

Все многообразие экологических стратегий заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и К-стратегия. Тип r-стратегия, или r-отбор, определяется отбором, направленным прежде всего на повышение скорости роста популяции и, следовательно, таких качеств, как высокая плодовитость, ранняя половозрел ость, короткий жизненный цикл, способность быстро распространяться на новые местообитания и пережить неблагоприятное время в покоящейся стадии. К-стратегия (или К-отбор) направлена на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности. Это отбор на конкурентоспособность, повышение защищенности от хищников и паразитов, повышение вероятности выживаемости каждого потомка, на развитие более совершенных внутривидовых механизмов численности (Гиляров, 1990). Очевидно, что каждый организм испытывает на себе комбинацию г- и К-отбора, но г-отбор преобладает на ранней стадии развития популяции, а К-отбор уже характерен для стабилизированных систем. Но все-таки оставляемые отбором особи должны обладать достаточно высокой плодовитостью и достаточно развитой способностью выжить при наличии конкуренции и «пресса» хищников. Конкуренция г- и К-отбора позволяет выделять разные типы стратегий и ранжировать виды по величинам г и К в любой группе организмов.

Вопрос 19. Популяции и биотические сообщества. Регуляция плотности популяции. Под саморегуляцией систем понимают способность поддерживать на относительно постоянном уровне те или иные биологические показатели (внутренние свойства, структуру). Отклонение какого-либо показателя от определенного, характерного для данной системы, уровня является сигналом к включению механизмов, восстанавливающих этот уровень. Плотность популяции - это среднее число особей, приходящееся на единицу площади или объема (на 1  или 1  площади, в 1 л или 1  воды). Например, можно подсчитать число гнезд птицы олуши на 1  или число мелких ракообразных дафний в 1 л воды, взятой из какого-либо водоема. С помощью вычисления плотности можно количественно сравнивать разные популяции независимо от того, какую площадь они занимают. При возрастании плотности популяции между ее особями усиливается конкуренция за пищу, место обитания и размножения -внутривидовая конкуренция. Плотность популяций крупных организмов более стабильна, чем у мелких растений и животных. Например, в популяциях дуба по мере роста деревьев происходит их самоизреживание, а у мари белой (лебеды) из семян развиваются практически все растения, то есть чем больше плотность популяции, тем меньшую величину будут иметь организмы.

Выращивая культурные растения, человек ослабляет внутривидовую конкуренцию, прореживая посевы моркови, свеклы, а также определяя нормы посадки картофеля, капусты с учетом возможности удовлетворения каждым растением потребностей в минеральном питании.

У животных уменьшение величины тела в связи с высокой плотностью популяции могут наблюдать, например, аквариумисты, если у них в небольшом аквариуме живет многочисленная популяция рыбок. Чаще всего увеличение плотности популяций животных и, как следствие, усиление внутривидовой конкуренции приводят к тому, что ее особи становятся физически слабее.

Это снижает их сопротивляемость к заболеваниям и делает более доступными для хищников.

При увеличении плотности популяций у активно двигающихся животных наблюдается усиленное переселение - миграция. Таковы миграции белок, массовые миграции тундровых грызунов - леммингов. Перелеты огромных стай саранчи, о которых уже упоминалось, - тоже пример популяционных миграций за пределы мест размножения. 

Вопрос 20. Популяция и биотические сообщества. Биотические сообщества (видовая структура биоценоза, пространственная структура биоценоза). Любая совокупность популяций разных видов организмов, населяющих определённую территорию с однородными абиотическими свойствами (биотоп), представляет биотическое сообщество  или биоценоз. Например, можно говорить о биоценозе древесного ствола, о биоценозе тайги или о биоценозе океана. Биоценоз – это более высокий уровень организации, чем популяция, которая является его составной частью. Биоценоз обладает сложной внутренней структурой, из которой выделяют видовую и пространственную структуры. Все биотические сообщества можно разделить на основные сообщества, которые характеризуются большими размерами и завершённостью организации и не зависят от соседних сообществ, и мелкие сообщества, в той или иной степени зависящие от соседних сообществ. Сообщества обладают определённой структурой связей, функциональным и композиционным единством, что обеспечивает возможность сосуществования различных видов организмов. Видовая структура биоценоза характеризуется видовым разнообразием и количественным соотношением видов, зависящих от ряда факторов. Для существования сообщества важна не только величина численности организмов, но еще важнее видовое разнообразие, которое является основой биологического разнообразия в живой природе. Богатство видового состава биоценозов определяется числом видов. Природные биоценозы считаются бедными, если они содержат десятки и сотни видов растений и животных, богатыми – несколько тысяч или десятки тысяч видов. Видовое разнообразие взаимосвязано с разнообразием условий среды обитания. Чем больше организмов найдут в данном биотопе подходящих для себя условий по экологическим требованиям, тем больше видов в нем поселится.

Виды в биоценозе образуют и определенную пространственную структуру, особенно в его растительной части – фитоценозе. Прежде всего, четко определяется вертикальное ярусное строение в лесах умеренного и тропического поясов. Помимо ярусности в пространственной структуре биоценоза наблюдается мозаичность – изменение растительности и животного мира по горизонтали. Площадная мозаичность зависит от разнообразия видов, количественного их взаимоотношения.

Вопрос 21. Популяции и биотические сообщества. Экологическая ниша, взаимоотношения организмов биоценозе. Экологическая ниша — это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Экологическую нишу можно представить как часть воображаемого многомерного пространства, отдельные измерения которого соответствуют факторам, необходимым для вида. Чем больше варьируется приспособленность вида к определенному экологическому фактору, тем шире экологическая ниша; она увеличивается и при ослабленной конкуренции. Экологическая ниша - абстрактное понятие, это совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование вида в природе. Она включает химические, физические и биотические факторы, необходимые организму для жизни, и определяется его морфологической приспособленностью, физиологическими реакциями и поведением. Факторы, определяющие экологическую нишу человека. Человек является биологическим видом класса млекопитающих. Несмотря на то, что ему присущи многие специфические свойства (разум, мыслительная деятельность, членораздельная речь, трудовая деятельность) он не утратил своей биологической сущности и все законы экологии справедливы для него в той же мере, что и для других живых организмов. Поэтому человек имеет своего роду экологическую нишу и пространство, в которой она реализована, весьма ограниченно: пределы суши экваториальные полюса (тропики, субтропики), по вертикали ниша простирается на 3-3,5 км над уровнем моря. Благодаря своим специфическим свойствам человек расширил границы своего начального ареала, расселился в высоких, средних и низких широтах, освоил глубины океан и космическое пространство. Однако, его фундаментальная экологическая ниша при этом практически не изменилась и за пределами исходного ареала он может выживать, преодолевая сопротивление лимитирующих факторов не путем адаптации, а с помощью специально созданных защитных устройств и приспособлений, которые имитируют его нишу, подобно тому, как это делается для экзотических животных в зоопарках, океанариях, ботанических садах. Экологическая ниша человека - состав воздуха, воды, пищи, ​климатические условия, уровень электромагнитного, ультрафиолетового, ​радиоактивного излучения и пр.