Адаптації живих організмів та структура природних популяцій

Морфологічні, фізіологічні та поведінкові адаптації

Адаптація — це еволюційно вироблені та спадково закріплені здатності організмів виживати і нормально розвиватися в динамічних умовах навколишнього середовища. Будь-який вид мешкає тільки там, де екологічні фактори відповідають його вимогам. Особини, що не володіють потрібним рівнем толерантності або не встигають пристосуватися до змін середовища, неминуче гинуть.

Морфологічні адаптації виражаються в особливостях будови тіла. У водних мешканців це пристосування до швидкого плавання (як у китоподібних) або до ширяння в товщі води (у планктону). Рослини пустель повністю позбавлені листя для максимального зниження втрат вологи. Ґрунтові організми формують міцні покриви, валькувату форму тіла, редукований зір та шкірне дихання.

Фізіологічні адаптації перебудовують біохімічні процеси. Мешканці аридних зон здатні задовольняти потребу у воді за рахунок біохімічного окислення жирів. Фотосинтез дозволяє рослинам синтезувати поживні речовини з неорганічних в умовах суворо визначеного газового складу атмосфери. У тварин склад і характер їжі, що надходить, прямо визначають набір ферментів у травному тракті.

Поведінкові адаптації допомагають регулювати теплообмін та уникати загроз. Хижаки використовують специфічні прийоми вистежування та переслідування здобичі, а жертви реагують затаюванням або різкими відлякуючими рухами, як деякі комахи. При екстремальних температурах тварини активно переміщуються у пошуку оптимальних умов або зводять захисні укриття.

Структура популяцій та контроль чисельності

У природних умовах живі організми існують виключно у формі популяцій — сукупностей особин одного виду, що населяють певну територію і вільно обмінюються генетичною інформацією (панміксія). У наукових дослідженнях підкреслюється, що популяція буквально диригує своєю долею, регулюючи фізіологічний стан індивідів, що до неї входять. Повноцінний облік внутрішньопопуляційних процесів необхідний для грамотного використання та охорони природних ресурсів.

Кожна популяція має суворо визначену структуру:

• вікову (співвідношення особин різного віку);
• сексуальну (співвідношення статей);
• просторову (розподіл на сім'ї, колонії, зграї).

Чисельність та щільність популяції залежать від ємності екологічної ніші та регулюючих факторів середовища. У природі кількість особин може варіюватися від десятків екземплярів у рідкісних видів до десятків тисяч. У штучних біосистемах — наприклад, в активному мулі аеротенків та біофільтрів для очищення стічних вод — популяції бактерій та найпростіших налічують мільярди особин, від яких прямо залежить якість роботи очисних споруд. У сільському та лісовому господарстві саме фактична чисельність рослиноїдних видів визначає розмір шкоди, що ними завдається.

Практична охорона природи та грамотне природокористування полягають у збереженні режимів екологічних факторів. Тільки при утриманні екологічних ніш від руйнування забезпечується нормальне функціонування популяцій, їх відтворення та відповідність структури реальним умовам існування.

Щільність популяції - чисельність популяції, віднесена до одиниці простору, що нею займається, або середня кількість особин на одиницю площі чи об'єму.

Так, щільність популяції лося та інших теплокровних тварин визначається кількістю особин, що припадають на 10 тис. га, населення ґрунтових безхребетних співвідноситься з квадратним метром. При характеристиці популяцій мікроорганізмів в активному мулі використовують кількість особин в 1 см3.

Знаючи зміну щільності у часі або просторі, можна встановити, чи збільшується, чи зменшується чисельність особин. Динаміка щільності популяцій відображає складні закономірності взаємовідносин між різними тваринами, між тваринами і рослинами, оскільки всі вони є біотичними факторами по відношенню один до одного. Щільність може залежати і від коливань абіотичних факторів середовища. Для кожного виду існують оптимальні межі щільності його популяцій. Варіювання щільності в обсязі кожної популяції залежить від стану всієї екологічної системи.

Чисельність та щільність популяції - не випадкові величини. Вони зумовлені не тільки режимами екологічних факторів у даний час, а й усім попереднім розвитком даної популяції, попередніх поколінь у тій чи іншій спільноті. Прийнято говорити, що обсяг популяції визначається стаціальною (стація - місцеіснування) ємністю екосистеми для представників популяції даного виду або ємністю місця локалізації екологічної ніші.

Коливання чисельності живих організмів, що населяють ту чи іншу екологічну систему, мають дуже важливе значення для людини, оскільки багато тварин і рослин є об'єктами її господарської діяльності або причиною будь-якої шкоди. Тому знання закономірностей динаміки чисельності популяцій необхідне для прогнозування можливих небажаних явищ і внесення в разі потреби коректив у цю динаміку з метою управління нею.

Зміна чисельності особин у популяції впливає на щільність. Якщо щільність змінюється у практично постійному обсязі стації, збільшення чисельності особин можливе лише до певної межі, яку допускає місткість екологічної ніші. У конкретний момент часу чисельність особин у популяції відображає її народжуваність і смертність. Залежно від співвідношення цих показників говорять про баланс популяції. Якщо народжуваність вища, ніж смертність, то популяція чисельно зростає і навпаки.

Народжуваність популяції — чисельно виражена здатність популяції до збільшення, або кількість особин, що народилися за певний період.

Ця здатність залежить від безлічі факторів: співвідношення в популяції самців і самок, кількості статевозрілих особин, плодючості, числа поколінь на рік, забезпеченості кормом, впливу погодних умов та ін. Низька плодючість характерна для тих видів, які виявляють велику турботу про потомство, і, навпаки, висока плодючість свідчить про погані умови виживання. Наприклад, риба-місяць, яка зовсім не піклується про своє потомство, відкладає близько 300 млн ікринок. Такі дбайливі батьки, як горбуша і корюшка, відкладають 1500 і 100 ікринок відповідно. Вони охороняють ікру і личинки від шкідливих зовнішніх впливів і від знищення її хижаками. Деякі комахи здатні давати 2-3 покоління на рік, тобто 2-3 рази на рік відкладають яйця в кількості кількох сотень; мишоподібні гризуни, з періодом вагітності близько місяця і коротким періодом становлення статевої зрілості, дають 5-6 поколінь; великі теплокровні тварини виношують плід кілька місяців, досягають здатності до відтворення на 3-4-й рік і народжують усього 1-2 дитинчат. Бактерії та найпростіші, що розмножуються поділом, повторюють цей акт багаторазово протягом кількох годин.

Отже, якщо в популяції є 500 здатних до розмноження особин (Nо = 500) і протягом 10 днів (∆Т = 10) народилося 50 нових (∆Nо = 50), то народжуваність становитиме Р = 50: 10 = 5, або в перерахунку на одну особину Р = ∆Nо / (∆Т·Nо) = 50 / (10·500) = 0,01.

Смертність популяції (С) — це кількість особин, що загинули за певний період.

Вона буває дуже високою і змінюється залежно від умов середовища, віку та стану популяції. У більшості видів смертність у ранньому віці завжди буває вищою, ніж у дорослих особин. Однак трапляються і такі види, у яких смертність приблизно однакова в усіх віках або переважає в особин старшого віку.

Фактори смертності дуже різноманітні. Вона може бути викликана впливом абіотичних факторів (низькі і високі температури, зливові опади і град, надмірна і недостатня вологість та ін.), біотичними факторами (відсутність корму, інфекційні хвороби, вороги тощо), зокрема й антропогенними (забруднення навколишнього середовища, знищення тварин, вирубка дерев та ін.).

Враховуючи в тих чи інших практичних завданнях чисельність популяції, завжди мають справу з особинами, що вижили на даний момент часу. Тому фактичною характеристикою стану популяції є виживаність. Під виживаністю розуміється частка особин у популяції, що дожили до певного моменту часу або до віку розмноження. Криві виживання, наведені на рис. 2.4., відображають природну смертність у кожній популяції.

У людей у першій половині життя відсоток смертності незначний, потім різко зростає. Щось схоже — у дрозофіли і в більшості комах. У гідри, чайки — смертність постійна протягом усього життя. У устриці — високий відсоток смертності у молодих особин і низький — у літніх.

У більшості видів тривалість життя самок набагато більша, ніж самців.

Якщо помістити популяцію в стабільне середовище, з якого штучно вилучені всі обмежувальні фактори, то чисельність популяції буде зростати за експоненціальним законом як функція часу.

Природний приріст популяції можна представити відношенням числа особин, на яке збільшилася популяція за одиницю часу, до початкового значення її чисельності.

Ndt де N — кількість особин популяції в момент часу t;

dN — число особин, на яке збільшилася популяція за час dt;

r — показник природного приросту популяції. Із (1 Провівши інтегрування цього виразу, отримуємо

N = N 0 e rt, (2)

Графік, що ілюструє залежність (2), наведено на рис.2.5.

Таков випадок людської популяції, залежність чисельності якої від часу описується експонентою, у всякому разі, до сьогоднішнього часу.

Досвід показує, що люди є винятком — жоден інший вид тварин не слідує цьому закону. Існують обмежувальні фактори, які приводять кількість особин кожного виду до оптимального значення, сумісного із середовищем його існування.

Наприклад, якщо за дуже сприятливих умов популяція дає спалах розмноження, то починають складатися умови конкуренції між особинами. Тоді для популяції вигідно, щоб частина особин припинила розмножуватися і ріст чисельності сповільнився. Такі механізми в природі працюють дуже чітко.

Візьмемо гризунів. На певному етапі їхнього розмноження, за певної щільності всередині спільноти, починають загострюватися внутрішні відносини — через територію, через самиць. Агресивні форми відносин починають переважати над комунікативними. Виникає обстановка стресу, який може збільшити загибель особин у популяції або блокувати надходження в кров статевих гормонів. Не обов'язково це відбувається через стрес, є й інші механізми.

Нерідкою є і протилежна картина: якщо надмірно розплодилися хижаки або мало кормів, то популяція різко скорочується. Тоді вмикаються механізми, що стимулюють розмноження.

Йде процес саморегуляції — популяція завжди прагне досягти оптимального рівня своєї чисельності.

Ми стикаємося з цим у реальному житті. Наприклад, ведемо боротьбу з гризунами за допомогою отрут. Стовідсоткового знищення шкідників ніколи не вдається досягти. Хтось засів у норі, хтось був за межами зон обробки. І ось ці вцілілі поодинокі представники через деякий час, посилено розмножуючись, відновлюють чисельність популяції.

Отже, завжди існує гранично висока (К) і низька (М) чисельність і щільність популяції, переступити які для популяції неможливо, рис. 2.5.

У цьому випадку можливі два варіанти подальшої динаміки даної популяції: 1. Чисельність стабілізується і в цілому її динаміка буде характеризуватися так званою логістичною (S-подібною) кривою.

Швидкість росту чисельності популяції в цьому випадку визначиться таким виразом:

K−N де опір середовища — сукупність факторів,

K — що перешкоджають необмеженому росту чисельності популяції). 2. Після досягнення межі К настає масова загибель особин, що повертає чисельність популяції до деякої нижньої межі, після чого наростання може початися знову. Подібні коливання чисельності біля середнього значення (граничної біотичної навантаженості середовища) типові для багатьох тварин.

Отже, тип динаміки популяції відображає відповідність вимог організму реальним умовам навколишнього середовища. Антропогенні впливи здатні істотно впливати на динаміку популяцій, відхиляючи типи, що склалися історично, від встановленої норми.