Главная страница
Навигация по странице:

  • 7.1. ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ И ЛОГИСТИЧЕСКАЯ КРИВЫЕ РОСТА

  • 7.2. СВОЙСТВА ПОПУЛЯЦИЙ

  • 7.3. КОЛЕБАНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ

  • Бродский А.К. Краткий курс общей экологии. Учебное пособие. Спб. Деан. 2000. 224 с


    Скачать 2.74 Mb.
    НазваниеУчебное пособие. Спб. Деан. 2000. 224 с
    АнкорБродский А.К. Краткий курс общей экологии.doc
    Дата27.08.2017
    Размер2.74 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаБродский А.К. Краткий курс общей экологии.doc
    ТипУчебное пособие
    #8427
    страница8 из 15
    1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   15
    Тема 7

    ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ

    Объектом изучения демоэкологии, или популяционной экологии, служит популяция. Ее определяют как группу организмов одного вида (внутри которой особи могут обмениваться генетической информацией), занимающую конкретное пространство и функционирующую как часть биотического сообщества. Популяция характеризуется рядом признаков; единственным их носителем является группа, но не особи в этой группе. Важнейшее свойство популяции — плотность, т. е. число особей, отнесенное к некоторой единице пространства.

    7.1. ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНАЯ И ЛОГИСТИЧЕСКАЯ КРИВЫЕ РОСТА

    Численность популяции определяется в основном дву­мя противоположными явлениями — рождаемостью и смертностью. Пусть Nчисленность популяции. Тогда отношение dN/dtозначает мгновенную скорость изме­ненияN, т. е. изменение N в момент времени t, а отно­шение dN/dtNудельную мгновенную скорость изме­нения численности популяции. Так, в популяции инфу­зорий с исходной численностью 100 особей и с численностью, равной 200 особей через час, рост попу­ляции равен 100 особей в час, а рост популяции в рас­чете на одну особь равен 100/100-1 = 1 особь в час.

    Таким же способом определяют рождаемость и смерт­ность. Если dN - число рожденных особей в популяции, то коэффициент рождаемости b = dN/dt, если dN— число погибших особей, то коэффициент смертности d = dN/dt. Разность r = b-dпредставляет собой коэффициент при­роста изолированной популяции, в которой нет ни эмиг­рации, ни иммиграции. Коэффициент прироста популя­ции—не что иное, как врожденная (специфическая) ско­рость естественного увеличения популяции, называемая иногда мальтузианским параметром. Эта величина явля­ется мерой мгновенной удельной (в расчете на одну особь)

    116
    скорости изменения размера популяции и выражается как число особей, отнесенное к единице времени в расчете на одну особь. Различают максимальнуюмгновеннуюско­ростьприроста популяции (rmax) и фактическуюскорость увеличения популяции ra=b-d. При воображаемых иде­альных условиях, когда значение bмаксимально, a dми­нимально, га достигает наибольшей величины — rmax

    Рис. 7.1. Экспоненциальная (а) и логистическая (б)

    кривые роста популяции.

    Заштрихованная площадь — сопротивление среды.

    Если допустить, что коэффициент прироста имеет постоянную величину, то зависимость численности по­пуляции от времени будет выражаться экспоненциаль­ной кривой (рис. 7.1,а). Если r = const, то dN/dt = rN, следовательно, если N0численность популяции в ис­ходный момент, Ntее численность в момент t, то Nt = N0ert. Экспоненциальная кривая выражает так называе­мый биотическийпотенциал.

    В природе в основном наблюдается иная картина. Прежде всего коэффициент прироста не остается посто­янным, так как рождаемость и смертность меняются в за­висимости от условий среды и возраста организмов, а пища и территория редко предоставлены в достаточном объеме. Чаще всего реальный рост численности популя­ции выражается S-образной зависимостью, которую на­зывают логистической кривой роста (рис. 7.1,6). Урав-

    117

    нение логистической кривой отличается от уравнения био­тического потенциала корректирующим фактором: (K-N)/ К, где К—максимальное число особей, способных жить в рассматриваемой среде, т. е. асимптота кривой. Отсю­да математическое выражение для логистической кривой имеет вид: dN/dt = rN[(K-N)K-1] или Nt = K/1+ea-rt, где a = r/ К. Пространство, заключенное между биотическим потен­циалом и логистической кривой роста, представляет со­бой сопротивлениесреды.

    7.2. СВОЙСТВА ПОПУЛЯЦИЙ

    От чего же зависят значения коэффициентов рождае­мости и смертности? От очень многих факторов, дей­ствующих на популяцию извне, а также от собственных ее свойств. Объективный показатель способности орга­низмов увеличивать свою численность — максимальная мгновенная скорость прироста популяции. Этот параметр обратно пропорционален продолжительности жизни орга­низмов. В этом легко убедиться, обратившись к гипер­болической зависимости между врожденной скоростью увеличения численности популяции и средним временем генерации, выраженным в днях (рис. 7.2). Мелкие орга-низмы имеют более высокие значения rmax, чем крупные, что объясняется меньшим временем генерации. Причи­на подобной корреляции понятна, поскольку организму для достижения крупных размеров требуется много вре­мени. Отсрочка периода размножения также неизбежно ведет к уменьшению rmax.

    Тем не менее, преимущества, даваемые большими размерами тела, должны превышать недостатки, связан­ные с уменьшением rmax, так как в противном случае круп­ные организмы никогда не появились бы в эволюции. Тенденция к возрастанию размеров тела с течением гео­логического времени, прослеженная по ископаемым ос­таткам, послужила основанием для введения понятия увеличениефилетическогоразмера.

    Крупные размеры тела дают совершенно очевидные пре­имущества: более крупный организм должен привлекать мень-

    118



    Рис. 7.2. Гиперболическая зависимость максимальной

    врожденной скорости увеличения популяции

    от времени генерации (по: Пианка, 1981).

    ше потенциальных хищников и, следовательно, он имеет боль­ше шансов не стать жертвой и должен отличаться лучшей вы­живаемостью; мелкие организмы находятся в тесной зависимо­сти от физической среды, даже очень слабые изменения кото­рой могут оказаться для них губительными. Более крупные организмы легче переносят воздействие подобных изменений и соответственно лучше от них защищаются. Однако более круп­ным организмам требуется больше вещества и энергии в рас­чете на одну особь в единицу времени, чем мелким. Кроме того, для них существует гораздо меньше укрытий и безопасных мест.

    В жизни всех организмов в популяции можно выде­лить три основных периода: предрепродукционный, ре­продукционный и пострепродукционный. Относительная

    119

    продолжительность каждого из них у разных видов весь­ма различна. У многих животных первый период самый длинный. Ярким примером могут служить поденки, у ко­торых предрепродукционный период достигает 3 лет, а репродукционный занимает всего от 2-3 ч до 1 сут. У американской цикады предрепродукционный период составляет 17 лет. Но есть виды, особи которых, едва появившись на свет, начинают интенсивно размножать­ся (большинство бактерий).

    Репродукционные возможности популяции зависят от ее возрастного состава. Продолжительность жизни осо­бей популяции можно оценить, используя кривые выжи­вания. Существует три типа кривых выживания (рис. 7.3).



    Рис. 7.3. Различные типы кривых выживания.

    1 — дрозофила (верхняя кривая) и человек (нижняя), 2—пресноводная гидра, 3 —устрица.

    Первый тип (кривые 1) соответствует ситуации, ког­да большее число особей имеет одинаковую продолжи­тельность жизни и умирает в течение очень короткого отрезка времени. Кривые характеризуются сильно вы­пуклой формой. Такие кривые выживания свойственны человеку (рис. 7.3, 1), причем кривая выживания для муж­чин по сравнению с аналогичной кривой для женщин менее выпуклая, поэтому страховой полис для мужчин в большинстве стран Запада в 1,5 раза дороже, чем для

    120




    женщин.

    Для большинства ко­пытных кривые выживания так­же выпуклые (рис. 7.4), хотя и в различной степени для раз­ных видов, а также в зависи­мости от пола. Второй тип

    (рис. 7.3, 2) свойствен видам, коэффициент смертности ко­торых остается постоянным на протяжении всей их жизни. По­этому кривая выживания трансформируется в прямую линию. Такая форма кривой выживания свойственна пре­сноводной гидре. Третий тип

    (рис. 7.3, 3) — сильно вогнутые кривые, отражающие высокую смертность особей в раннем возрасте. Так характеризуется продолжительность жизни не­которых птиц, рыб, а также многих беспозвоночных. Знание типа кривой выживания дает возможность по­строить пирамиду возрастов (рис. 7.5). Следует различать три типа таких пирамид. Пира­мидасширокимоснованием, что соответствует высокому проценту молодняка, характер­на для популяции с большим значением коэффициента рождаемости.



    Среднийтиппирамидысоответствует равно­мерному распределению особей по возрастам в попу­ляции со сбалансированными коэффициентами рождае­мости и смертности — пирамида выравненная. Пирамида сузкимоснованием(обращенная), отвечающая популя­ции с численным преобладанием старых особей над мо­лодняком, характерна для сокращающихся популяций.

    121



    Рис. 7.5. Пирамида возрастов оленей Odocoileushemionus

    (из Рамада, 1981).

    1 — классическое изображение, 2более сложное изображение

    с учетом погибших особей в каждом классе, символически

    представленных силуэтами черепов.

    В таких популяциях коэффициент смертности превышает коэффициент рождаемости.

    Важным фактором изменения численности популяций явля-

    ется соотношение полов. Оно редко бывает равным единице,

    так как в большинстве случаев один из полов преобладает над другим. У позвоночных часто при рождении самцов бывает не­сколько больше, чем самок. У утиных самцы тоже нередко чис­ленно превалируют над самками. Зато в крупных популяциях бе­лок Sciuruscarolinensisи S. nigerдоминируют самки.

    Большое значение для увеличения численности по­пуляции имеют затраты на потомство, выражающиеся в определенной тактике размножения. Не все потомки равноценны: те из них, которые произведены на свет в конце вегетационного сезона, обычно имеют меньшую вероятность дожить до взрослого состояния по сравне­нию с потомками, появившимися на свет раньше. Сколь­ко усилий должны родители затрачивать на каждого потомка? При постоянной величине репродуктивного усилия средняя приспособленность отдельного потомка связана обратным соотношением с их числом. Один

    122

    крайний вариант тактики размножения — вложить все в единственного очень крупного и хорошо приспособлен­ного потомка, другой —максимально увеличить общее число произведенных на свет потомков, вложив в каж­дую особь как можно меньше. Однако наилучшая такти­ка размножения —это компромисс между производством максимально большого числа потомков и образованием потомства максимально высокой приспособленности.



    Рис. 7.6. Зависимость количества и качества потомства

    от репродуктивного усилия родителей (по: Пианка, 1981).

    Объяснения в тексте.

    Указанное соотношение количества и качества потом­ства иллюстрирует простая графическая модель (рис. 7.6).

    В маловероятном случае, т. е. в случае линейной за­висимости приспособленности потомков от затрат на них родителей, приспособленность каждого отдельного потомка уменьшается с увеличением размера помета или кладки. Так как приспособленность родителей или, что то же самое, общая приспособленность всех по-

    123
    томков — постоянная величина, с точки зрения родите­лей не существует оптимального размера кладки. Од­нако поскольку первоначальные расходы на потомство вносят больший вклад в приспособленность потомков, чем последующие (имеет место S-образный характер зависимости приспособленности потомков при увели­чении вклада родителей; см. рис. 7.6), то очевидно, что существует некоторый оптимальный размер кладки. В данном гипотетическом случае родители, расходующие только 20% своего репродуктивного усилия на каждого из пяти своих потомков, получат большую отдачу от сво­его вклада, чем при любом другом размере кладки. По­добная тактика, будучи оптимальной для родителей, не является наилучшей для каждого отдельно взятого по­томка, максимальная приспособленность которого дос­тигается в том случае, если он единственный отпрыск, получивший полный вклад усилий от своих родителей. Следовательно, в данном случае налицо «конфликт ро­дителей и детей».

    Особенно большое влияние на форму S-образной кривой оказывает конкурентная обстановка. В сильно разреженной среде (конкурентный вакуум) наилучшей репродуктивной стратеги­ей следует считать максимальный вклад вещества и энергии в размножение для продуцирования как можно большего количе­ства потомков в самые короткие сроки. Поскольку конкуренция невелика, потомки могут выжить, даже если они имеют очень малые размеры и низкую приспособленность. Однако в насы­щенной среде обитания, где заметно проявляются эффекты массы, а конкуренция остра, оптимальной стратегией будет расходование большого количества энергии на преодоление конкуренции, повышение собственной выживаемости и на проду­цирование более конкурентоспособных потомков. При подоб­ной стратегии лучше иметь крупных потомков, а поскольку энергетически они дороже, их может быть произведено на свет меньше.

    Итак, свойства популяции можно оценить по таким показателям, как рождаемость, смертность, возрастная структура, соотношение полов, частота генов, генетичес­кое разнообразие, скорость и форма кривой роста и т. д.

    124

    Плотность популяции определяется ее внутренними свой­ствами, а также зависит от факторов, действующих на популяцию извне.

    7.3. КОЛЕБАНИЯ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ

    Когда популяция прекращает расти, ее плотность обна­руживает тенденцию к флуктуациям относительно верх­него асимптотического уровня роста. Такие флуктуации могут возникать либо в результате изменений физиче­ской среды, вследствие чего повышается или снижается верхний предел численности, либо в результате внутри-популяционных взаимодействий, либо, наконец, в резуль­тате взаимодействия с соседними популяциями. После того, как верхний предел численности популяции (К) ока­жется достигнутым, плотность может некоторое время оставаться на этом уровне или сразу резко упасть (рис. 7.7, кривая 1). Это падение окажется еще резче, если сопротивление среды увеличивается не постепен­но, по мере роста популяции, а проявляется внезапно (кривая 2). В таком случае популяция будет реализовы-



    Рис. 7.7. Различные типы флуктуации плотности популяции. Объяснения в тексте.

    125

    вать биотический потенциал. Однако экспоненциальный рост не может происходить долго. Когда экспонента дос­тигает парадоксальной точки стремления к бесконечнос­ти, как правило, происходит качественный скачок — быс­трое увеличение численности сменяется массовым от­миранием клеток или гибелью особей. Пример подобных флуктуации — вспышка размножения насекомых, сменя­емая массовой их гибелью; размножение и гибель во­дорослей («цветение» водоемов). Возможна и такая си­туация, при которой численность популяции «перескаки­вает» через предельный уровень (кривые 3, 4), если питательные вещества и другие необходимые для жизни факторы накоплены еще до начала роста популяции. Этим, в частности, можно объяснить, почему новые пруды и озера часто богаче рыбой, чем старые.

    Существует два основных типа колебаний численнос­ти популяций (рис. 7.8). При первом типе периодиче­ские нарушения среды, такие как пожары, наводнения, ураганы и засухи, часто приводят к катастрофической, не зависящей от плотности, смертности. Так, численность популяции однолетних растений и насекомых обычно быстро растет весной и летом, а с наступлением холод­ной погоды резко сокращается. Популяции, рост кото­рых дает регулярные или случайные всплески, называ-



    Рис. 7.8. Флуктуация плотности популяции у оппортунистических (1) и равновесных (2) видов.

    126
    ются оппортунистическими(рис. 7.8,1). Другие популя­ции, так называемые равновесные(свойственные мно­гим позвоночным), обычно находятся в состоянии, близ­ком к состоянию равновесия с ресурсами, а значения их плотности гораздо более устойчивы (рис. 7.8,2).

    Два выделенных типа популяций представляют собой только крайние точки континуума, однако при сравне­нии разных популяций подобное разделение часто ока­зывается полезным. Значение противопоставления оп­портунистических популяций равновесным заключается в том, что действующие на них независящие и завися­щие от плотности факторы, так же как совершающиеся при этом события, по-разному влияют на естественный отбор и на сами популяции. Мак-Артур и Уилсон (1967) назвали эти противоположные типы отбора г-отбором и К-отбором в соответствии с двумя параметрами логи­стического уравнения. Некоторые характерные призна­ки г- и К-отбора приведены в таблице.

    Во временном отношении колебания численности по­пуляции бывают непериодическимии периодическими. Последние можно разделить на колебания с периодом в несколько лет и сезонные колебания. Непериодические флуктуации носят непредвиденный характер.

    В Тихом океане, особенно в районе Большого барьерного рифа к северо-востоку от Австралии, с 1966 г. наблюдается увеличе­ние численности морской звезды Терновый венец, Acanthasterplanci. Терновый венец, будучи ранее малочисленным (менее одной особи на 1 м2), достиг к началу 1970-х годов плотности 1 особь на 1 м2. Морская звезда приносит большой вред коралло­вым рифам, так как питается полипами, составляющими их жи­вую часть. Она «очистила» 40-километровую полосу рифов у ос­трова Гуам менее чем за три года. Ни одна из гипотез, предло­женных для объяснения внезапного увеличения численности морской звезды (исчезновение одного из ее врагов — брюхоногого моллюска Тритоний рог, Charoniatritonis, которого добыва­ют из-за раковин, содержащих перламутр; увеличение содержа­ния в морской воде ДДТ и в связи с этим нарушение естествен­ного равновесия; влияние радиоактивных осадков), не может считаться удовлетворительной.

    127

    Пример периодических колебаний численности с пе­риодом в несколько лет дают популяции некоторых арк­тических млекопитающих и птиц. У зайца-беляка и рыси период колебаний численности равен 9,6 года (рис. 7.9). Как видно из рисунка, максимум численности зайца по
    1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   15


    написать администратору сайта