Адаптации живых организмов и структура природных популяций

Морфологические, физиологические и поведенческие адаптации

Адаптация — это эволюционно выработанная и наследственно закрепленная способность организмов выживать и нормально развиваться в динамичных условиях окружающей среды. Любой вид обитает только там, где экологические факторы соответствуют его требованиям. Особи, не обладающие нужным уровнем толерантности или не успевающие приспособиться к изменениям среды, неизбежно погибают.

Морфологические адаптации выражаются в особенностях строения тела. У водных обитателей это приспособления к быстрому плаванию (как у китообразных) или к парению в толще воды (у планктона). Растения пустынь полностью лишены листьев для максимального снижения потерь влаги. Почвенные организмы формируют прочные покровы, вальковатую форму тела, редуцированное зрение и кожное дыхание.

Физиологические адаптации перестраивают биохимические процессы. Обитатели аридных зон способны закрывать потребность в воде за счет биохимического окисления жиров. Фотосинтез позволяет растениям синтезировать органические вещества из неорганических в условиях строго определенного газового состава атмосферы. У животных состав и характер поступающей пищи напрямую определяют набор ферментов в пищеварительном тракте.

Поведенческие адаптации помогают регулировать теплообмен и избегать угроз. Хищники используют специфические приемы выслеживания и преследования добычи, а жертвы реагируют затаиванием или резкими отпугивающими движениями, как некоторые насекомые. При экстремальных температурах животные активно перемещаются в поиске оптимальных условий или возводят защитные убежища.

Структура популяций и контроль численности

В природных условиях живые организмы существуют исключительно в форме популяций — совокупностей особей одного вида, населяющих определенную территорию и свободно обменивающихся генетической информацией (панмиксия). В научных исследованиях подчеркивается, что популяция буквально дирижирует своей судьбой, регулируя физиологическое состояние входящих в нее индивидов. Полноценный учет внутрипопуляционных процессов необходим для грамотного использования и охраны природных ресурсов.

Каждая популяция обладает строго определенной структурой:

• возрастной (соотношение особей разного возраста);
• сексуальной (соотношение полов);
• пространственной (распределение на семьи, колонии, стаи).

Численность и плотность популяции зависят от емкости экологической ниши и регулирующих факторов среды. В природе количество особей может варьироваться от десятков экземпляров у редких видов до десятков тысяч. В искусственных биосистемах — например, в активном иле аэротенков и биофильтров для очистки сточных вод — популяции бактерий и простейших насчитывают миллиарды особей, от которых напрямую зависит качество работы очистных сооружений. В сельском и лесном хозяйстве именно фактическая численность растительноядных видов определяет размер наносимого ими ущерба.

Практическая охрана природы и грамотное природопользование заключаются в сохранении режимов экологических факторов. Только при удержании экологических ниш от разрушения обеспечивается нормальное функционирование популяций, их воспроизводство и соответствие структуры реальным условиям обитания.

Плотность популяции - численность популяции, отнесенная к единице занимаемого ею пространства или среднее число особей на единицу площади или объема.

Так, плотность популяции лося и других теплокровных животных определяется количеством особей, приходящихся на 10 тыс. га, население почвенных беспозвоночных соотносится с квадратным метром. При характеристике популяций микроорганизмов в активном иле используют количество особей в 1 см3.

Зная изменение плотности во времени или пространстве, можно установить, увеличивается или уменьшается численность особей. Динамика плотности популяций отражает сложные закономерности взаимоотношений между различными животными, между животными и растениями, поскольку все они являются биотическими факторами по отношению друг к другу. Плотность может зависеть и от колебаний абиотических факторов среды. Для каждого вида существуют оптимальные 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 (стация - местообитание) емкостью экосистемы для представителей популяции данного вида или емкостью места локализации экологической ниши.

Колебания численности живых организмов, населяющих ту или иную экологическую систему, имеют очень важное значение для 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 с целью управления ею.

Изменение численности особей в популяции влияет на плотность. Если плотность изменяется в практически постоянном объеме стации, увеличение численности особей возможно лишь до определенного предела, который допускает емкость экологической ниши. В конкретный момент времени численность особей в популяции отражает 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: соотношения в популяции самцов и самок, количества половозрелых особей, плодовитости, числа поколений в году, обеспеченности кормом, влияния погодных условий и др. Низкая плодовитость, характерна для тех 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 потомстве, откладывает порядка 300 млн. икринок. Такие заботливые родители, как горбуша и корюшка откладывают 1500 и 100 икринок, соответственно. 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 периодом 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 (Nо = 500) и в течение 10 дней (∆Т = 10) родилось 50 новых (∆Nо = 50), то рождаемость составит Р = 50: 10 = 5, или в пересчете на одну особь Р = ∆Nо / (∆Т·Nо) = 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.

Факторы смертности очень разнообразны. Она может быть вызвана влиянием абиотических факторов (низкие и высокие температуры, 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, приведенные на рис.2.4., отображают естественную смертность в каждой популяции.

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

У большинства видов продолжительность жизни самок намного больше, чем самцов.

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

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

Ndt где N - количество особей популяции в момент времени t;

dN - число особей, на которое увеличилась популяция за время dt;

r - показатель естественного прироста популяции. Из (1 Проинтегрировав это выражение, получаем

N = N 0 e rt, (2)

График, иллюстрирующий зависимость (2), приведен на рис.2.5.

Таков случай человеческой популяции, зависимость численности которой от времени описывается экспонентой, во всяком случае, 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 вида 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 оптимального уровня своей численности.

Мы сталкиваемся с этим в реальной жизни. Например, ведем борьбу с грызунами с помощью ядов. Стопроцентного уничтожения 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, восстанавливают численность популяции.

Следовательно, всегда существует предельно высокая (К) и низкая (М) численность и плотность популяции, переступить которые для популяции невозможно, рис. 2.5.

В этом случае возможны два варианта дальнейшей динамики данной популяции: 1. Численность стабилизируется и в целом ее динамика будет характеризоваться так называемой логистической (S - образной) кривой.

Скорость роста численности популяции в этом случае определится следующим выражением:

K−N где сопротивление среды совокупность факторов,

K препятствующих неограниченному росту численности популяции). 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 (предельной биотической нагруженности среды) типичны для многих животных.

Итак, тип динамики популяции отражает соответствие требований организма реальным условиям окружающей среды. Антропогенные воздействия способны существенно влиять на динамику популяций, отклоняя сложившиеся исторически типы от установившейся нормы.