Чем обусловлен устойчивый тип динамики
Биология. 10 класс
*§ 39—1. Динамика численности популяций
Типы роста численности популяций
Все живые организмы теоретически способны к очень быстрому увеличению численности. Как вы уже знаете, при оптимальных условиях среды в популяциях проявляются максимальная рождаемость и минимальная смертность, и, как следствие, наблюдается максимальная скорость роста численности. Врожденная способность особей к увеличению численности при отсутствии лимитирующих факторов называется биотическим потенциалом вида. Понятие биотического потенциала ввел в науку в 1928 г. американский натуралист Р. Чепмен. Этот показатель отражает теоретически возможный максимум потомков от одной пары (или одной особи) за единицу времени (например, за год или за весь жизненный цикл).
У разных видов биотический потенциал разный. Например, у крупных млекопитающих в благоприятных условиях численность может возрастать за год лишь в 1,05—1,1 раза, у мелких беспозвоночных (рачки, дафнии) более чем в 1000 раз, а у бактерий и одноклеточных водорослей еще быстрее.
График изменения численности при реализации биотического потенциала представляет собой экспоненту, поэтому такой тип роста численности называется экспоненциальным (нелимитированным) ростом. В лабораторных условиях наблюдать такой рост можно в популяциях протистов, бактерий на начальных стадиях роста. В природе нелимитированный рост наблюдается при вспышках численности саранчи, шелкопряда непарного и других беспозвоночных, если особи располагают в избытке всеми необходимыми ресурсами. Экспоненциально может расти численность животных, заселенных в новую местность, где у них мало врагов и много пищи (классические примеры — рост численности кроликов и опунции в Австралии, жука колорадского в Европе).
Во всех случаях экспоненциальный рост в популяциях наблюдается в течение относительно коротких промежутков времени, после чего скорость роста численности резко снижается. Быстрый темп размножения приводит к превышению емкости среды и быстрому истощению ресурсов, нехватке пищи, убежищ, территории, что неминуемо влечет за собой резкое падение численности популяций.
В естественных условиях вероятность того, что все условия окажутся благоприятными для популяций, очень низка. Как правило, один или несколько абиотических (неоптимальная температура, pH среды, соленость, влажность) и биотических (присутствие хищников, паразитов, болезнетворных организмов, нехватка пищи) факторов становятся лимитирующими. Сочетание лимитирующих факторов, ограничивающих рост численности популяций, называется сопротивлением среды. В таких условиях будет наблюдаться логистический (лимитированный) рост численности популяций. Этот тип роста численности свойствен природным популяциям большинства видов.
В популяциях с лимитированным типом роста численности можно выделить три этапа. На начальном этапе рост популяции почти не зависит от ресурсов, пространства и характеризуется высокими темпами. В течение среднего этапа на рост популяции влияют лимитирующие факторы среды, поэтому замедляются темпы роста популяции из-за уменьшения рождаемости, или увеличения смертности, или обеих этих причин. На последнем этапе численность популяции стабилизируется на уровне допустимой в естественных условиях.
Понятие динамики численности популяции и ее основные типы (стабильный, лабильный, эфемерный)
 |
 |
 |
Рисунок 2 – типы динамики численности популяции
Стабильный – характеризуется малой амплитудой и длительным периодом колебания численности. Этот тип присущ животным с большой продолжительностью жизни, которым присуща поздняя половая зрелость и низкая плодовитость. Естественная смертность низкая, способность к адаптации высокая (крупнокопытные, китообразные).
Лабильный – отличается закономерными колебаниями численности с периодами порядка 5 – 11 лет, амплитуда более выражена. Этот тип характерен для организмов небольших размеров и более коротким сроком жизни. Половое созревание раннее, плодовитость высокая (зайцеобразные).
Эфемерный – характеризуется резкой неустойчивостью численности с периодами глубокой депрессии, сменяющейся вспышками массового размножения. Перепады могут осуществляться в течение одного сезона, общая длина цикла 4 – 5 лет. Пик численности не более года. Этот тип численности характерен для короткоживущих с несовершенными механическими адаптациями, отличающихся высокой плодовитостью. В основном это мелкие грызуны.
Элементы динамики численности:
— продолжительность одного цикла увеличения численности;
— флуктуация – отклонение от средней;
— тип кривых численности роста.
Основными параметрами, влияющими на численность популяции, являются: численность, плотность, плодовитость, смертность, миграции.
Численность –общее количество особей на данной территории или в данном объеме.
Плотность – количество особей или биомасса на единицу площади или объема (нвапример, 150 растений сосны на 1 га).
Плодовитость – измеряется числом потомков одной женской особи. Говоря о млекопитающих, используется термин «рождаемость». Плодовитость каждого вида определяется исторически и обеспечивает пополнение убыли популяции. Умение видов с высокой смертностью в маленьком возрасте приспосабливаться и неблагоприятным условиям характеризуется высокой плодовитостью. В благоприятных условиях плодовитость низкая.
Смертность – количество погибших особей за определенный период. На это могут повлиять многие факторы, в том числе условия среды. Различают три типа смертности:
— смертность, одинаковая во всех возрастах ( встречается редко и в основном у видов, проживающих в благоприятных условиях);
— смертность в старом возрасте выражается редко у видов, проживающих в благоприятных условиях.
Смертность выражается графически, в виде кривых выживания, отображают зависимость числа выживших особей определенного возраста.
Миграции– обмен индивидуумов популяций. Они возможны при подрастании молодняка и его расселении. Наиболее интенсивно он происходит при несбалансированности рождаемости и смертностью. В ее результате устраняется избыток особей в одной популяции и компенсируется недостаток в другой. Миграции могут происходить в результате изменения пищевых ресурсов или под влиянием климатических факторов.
Глава 8. Популяции
8.6. Регуляция численности популяций в биоценозах
8.6.3. Типы динамики численности популяций
Можно выделить три основных типа популяционной динамики численности (рис. 139).
Рис. 139. Основные типы динамики численности популяций (по М. Уильямсону, 1975): А – пингвина великолепного; Б – большой синицы; В – зимующих гусениц соснового шелкопряда
I. Стабильный тип – отличается небольшим размахом колебаний (в несколько раз, однако не на несколько порядков величин). Свойствен видам с хорошо выраженными механизмами популяционного гомеостаза, высокой выживаемостью, низкой плодовитостью, большой продолжительностью жизни, сложной возрастной структурой, развитой заботой о потомстве. Целый комплекс эффективно работающих регуляторных механизмов держит такие популяции в определенных пределах плотности. Такова, например, динамика численности крупных млекопитающих и птиц, а также ряда беспозвоночных.
II. Флюктуирующий тип – колебания происходят в значительном интервале плотностей, различающихся на один-два порядка величин. При этом различают три фазы колебательного цикла: нарастания, максимума, разрежения численности. Возврат к стабильному состоянию происходит быстро. Регуляторные механизмы не теряют контроля за численностью популяций, увеличивая свою эффективность вслед за увеличением плотности. Преобладают слабоинерционные меж– и внутривидовые взаимодействия. Такой ход численности широко распространен в разных группах животных.
III. Взрывной тип с вспышками массового размножения – прекращение действия модифицирующих факторов не вызывает быстрого возврата популяции в стабильное состояние. Динамика численности складывается из циклов, в которых различают пять обязательных фаз: нарастания численности, максимума, разреживания, депрессии, восстановления. Для популяций периодически характерны предельно высокий и необычайно низкий уровень численности. По фазам цикла также сильно меняются показатели размножения, возрастной и половой структуры популяции, физиологического состояния, поведения, а иногда и морфологических особенностей составляющих ее особей. Такой ход численности обнаруживается чаще всего у видов с малой продолжительностью жизни, высокой плодовитостью, быстрым оборотом генераций. Он свойствен, например, некоторым насекомым (саранчовые, вредители леса – усачи, короеды, ряд чешуекрылых и пилильщиков и др.), среди млекопитающих отмечен у многих видов мышевидных грызунов.
Тип динамики численности – скорее популяционная, но не видовая характеристика. Популяции одних и тех же видов в различных условиях могут характеризоваться разным ходом динамики численности. Это объясняется преимущественно тем, что среди регуляторных механизмов большую роль играют межвидовые взаимосвязи, которые в пределах ареала вида могут быть разной степени напряженности. Так, многие виды, которые в природных условиях сдерживались врагами, проявляют склонность к вспышкам массового размножения в садах и на полях, где ослаблен биологический контроль.
Динамика популяции
Урок 22. Общая биология 11 класс ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Динамика популяции»
В природе совокупность особей вида, группируются в популяции. Популяции населяют какие-то отдельные небольшие участки ареала.
Популяция — это группа одновидовых организмов, занимающих определённый участок территории внутри ареала вида, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций.
Популяция обладает «биологическими особенностями», которые она разделяет со всеми составляющими её организмами, ― растёт, подразделяется на более мелкие подгруппы, изменяется вместе с изменением условий жизни.
Одновременно она обладает «групповыми особенностями», которые служат уникальными характеристиками группы и присущи только группе особей в целом.
Например, такие демографические показатели, как численность организмов, плотность, рождаемость, смертность, возрастной состав, нельзя применить к отдельным организмам, они могут характеризовать только популяцию в целом.
Важно знать, как изменяются те или иные популяции, для того чтобы можно было прогнозировать эти изменения и регулировать их.
Например, при заготовках древесины очень важно знать скорость восстановления леса, чтобы правильно планировать интенсивность рубок.
Но для начала необходимо изучить саму популяцию. То есть изучить характер изменения основных демографических показателей.
Самый важный показатель популяции это ее численность?
Численность популяции и количество особей в ней может меняться из-за изменения каких-либо факторов, например климатических. Но сами популяции как таковые все равно сохраняются.
Для определения численности популяции применяются различные методы. Если речь идёт о крупных и хорошо заметных организмах, применяется аэрофотосъёмка. В других случаях применяется метод мечения. Животных ловят, метят и отпускают обратно в природу. Через некоторое время производят новый отлов и по доле меченных животных определяют численность популяции.
По результатам строятся графики и определяется динамика численности популяции или колебания численности.
На графике показана динамика численности популяции сайгака, которая занимает площадь около 10 тыс. кв. км на территории Калмыкии.
На графике видно, что динамика численности имела циклический характер: за ростом следовала депрессия.
Пик численности был зафиксирован в середине 50-х годов, затем в конце 70-х численность вновь увеличилась. Начавшийся в конце XX века очередной подъем остановился, после чего популяция резко деградировала.
С численностью популяции неразрывно связана ее плотность.
Плотность популяции ― это численность особей, приходящаяся на единицу площади или объёма (на 1 м2, на 1 га, в 1 мм2 и т.д.).
Не следует путать понятия «численность» и «плотность».
Например, 100 деревьев могут расти на площади 1 га — это невысокая плотность. И 100 деревьев могут расти на площади 0,5 га — это вдвое большая плотность.
Численность популяции бука на всей ее территории составляет 1,5 тыс. деревьев при плотности 150 деревьев на 1 га.
Плотность определяет насыщенность территории представителями данного вида. Особенно важно знать, увеличивается или уменьшается плотность, определяющая направление развития популяции, от чего зависит ее существование.
С увеличением численности плотность популяции возрастает. При расширении свободной территории для расселения плотность может снижаться.
Такое явление в природе наблюдается часто, каждое живое существо пытается выжить и улучшить условия своего существования, а каждый вид — расширить свой ареал.
Для определения плотности необходимо знать пространственное распределение особей популяции. Оно может быть случайным, равномерным и пятнистым.
Изменение плотности популяции растений происходит за счёт рождаемости и смертности.
А изменение плотности популяции животных происходит за счёт рождаемости, смертности и миграции.
Рождаемость также является важным показателем динамики популяции.
Рождаемость ― это скорость прироста численности, число особей, родившихся за некоторый промежуток времени. Данный промежуток времени у разных популяций разный.
Например, для популяции бактерий единицей времени может быть несколько часов, для планктонных водорослей ― сутки, для насекомых ― недели или месяцы, для крупных млекопитающих ― годы.
Скорость возрастания популяции при сложившихся условиях жизни называется экологической рождаемостью.
Однако, экологическая рождаемость не постоянна и изменяется в зависимости от физических условий среды и состава популяции.
Смертность также влияет на развитие популяции.
Смертность ― это скорость сокращения численности в результате гибели особей за определённое время.
Иногда гибель отдельных организмов может улучшить качественный состав популяции, повысить ее выживаемость. Например, больная косуля становится жертвой волка. В данном случае изъятие больной особи препятствует распространению болезней, которые могли быть губительны для всей популяции.
Если рождаемость превышает смертность, то популяция будет расти.
Динамику смертности популяции в зависимости от возраста отображают на кривых выживания.
Существуют три основных типа этих кривых:
I. Сильно выпуклая кривая характерна для видов, у которых смертность резко повышается лишь к концу жизни, а до этого она остаётся низкой. Такой тип кривой характерен для многих видов крупных животных, а также и для человека.
II. Волнообразная кривая характерна для таких видов, у которых смертность мало изменяется с возрастом и остаётся более или менее одинаковой в течение всей жизни данной группы. Такой тип кривой можно построить, изучая динамику смертности птиц, мышей, кроликов и других организмов.
III. Сильно вогнутая кривая получается, если смертность очень высока на ранних стадиях жизни. Хорошей иллюстрацией этого типа служат рыбы, устрицы или другие двустворчатые моллюски.
Ещё один немаловажный показатель популяции ― это возрастной состав популяции.
Возрастная структура подразделяется на три основные группы: предрепродуктивную (до размножения), репродуктивную (в период размножения) и пострепродуктивную (после размножения).
В быстрорастущих популяциях значительную долю составляют молодые особи. В популяциях, находящихся в неподвижном состоянии, возрастное распределение относительно равномерное. А в популяциях, численность которых снижается, содержится большая доля старых особей.
Таким образом, зная все характеристики популяции, мы можем прогнозировать ее изменения и регулировать их.
Динамика популяции ― это изменения основных демографических показателей популяции во времени ― численно
сти, биомассы, популяционной структуры (возрастного состава) ― под влиянием действующих на них факторов.
Важным процессом динамики популяций является рост численности (или просто рост популяции), который происходит при освоении организмами новых мест обитания или после перенесённой катастрофы.
Выделяют 3 типа динамики популяции.
1. Для стабильного типа динамики характерна незначительная изменчивость численности. Период колебания численности в среднем составляет 10–20 лет. Стабильный тип динамики характерен для крупных млекопитающих. Например, для слонов.
2. Лабильный тип (изменчивый). Он характерен для менее крупных животных. Например, для крупных грызунов, которые в отличие от слонов, имеют отличаются меньшую продолжительность жизни. И амплитуда их колебаний укладывается в 5–11 лет. И численность исходя из графика, меняется достаточно значительно.
3. Эфемерный (взрывной) тип динамики характерен для недолго живущих видов (2–3 года) ― насекомых и мелких грызунов. Данный тип динамики нестабилен. Колоссальные изменения численности могут происходить в течении одного сезона.
Численность популяций в силу различных причин постоянно меняется… происходит колебание численности.
Иногда колебания происходят регулярно, и их можно назвать циклами. Изучать их трудно, для этого требуется длительное время, так как данные о диких организмах часто приходится собирать в течение нескольких лет.
Циклические колебания численности характерны для многих мышевидных грызунов (мышей полёвок, леммингов) и их хищников (полярной совы, песцов).
Примеры значительных колебаний численности демонстрируют некоторые виды северных млекопитающих. Классическим примером 9-10-летних колебаний служит изменение численности зайца-беляка и рыси в Канаде, причём пики численности зайца на год или более предшествуют пикам численности рыси.
Периодические изменения численности популяций — «популяционные волны» — одна из важных характеристик популяции как элементарной эволюционной единицы.
Важное эволюционное значение популяционных волн состоит в том, что они приводят к резкому колебанию концентраций разных генотипов в популяции, что очень важно для естественного отбора.
Часто популяции при помощи механизма обратных связей способны сами регулировать свою численность с тем, чтобы она не превысила предел, за которым может наступить катастрофа. Так, гусеницы некоторых бабочек массово гибнут, если выходят из яиц до окончания холодов (когда они погибают от переохлаждения) либо через длительное время после распускания листьев (тогда они погибают от голода). Если гусеницы появляются вовремя, то популяции грозит перенаселение.
В это время так же на уменьшение численности влияют хищники или паразиты, которые начнут их уничтожать. В данном случае действие регулирующего фактора зависит от плотности популяции.
Плотность популяции, как и численность, очень изменчива. Разным группам организмов свойственны разные уровни и пределы изменений плотности. Например, плотность популяции зяблика в лесу на 1 га может достигать нескольких десятков, а плотность популяции дождевых червей несколько десятков и сотен тысяч особей также на 1 га. В популяции зяблика невозможна плотность даже в несколько сотен птиц на гектар, как и не может существовать популяция дождевых червей при плотности в несколько десятков особей на 1 га.
По уровню плотности популяции можно судить о состоянии и перспективах ее развития. При плотности, близкой к верхнему пределу, в популяции возникает угроза перенаселения, падает рождаемость, возрастает смертность и эмиграция, чем создаются предпосылки для падения численности.
При плотности близкой к нижнему пределу затрудняется контакт разнополых особей, возникает угроза вымирания или длительной депрессии. А повышение рождаемости и усиление иммиграции особей из соседних популяций могут привести к возрастанию плотности.
Плотность популяции увеличивается до тех пор, пока не начинают действовать факторы, ограничивающие рост численности популяции. Ограничение может быть связано с полным использованием потребляемых популяцией ресурсов или с иными видами ограничений. В конце концов достигается биологическое равновесие, которое и сохраняется. Значительные колебания плотности и численности популяций сопровождаются физиологическими и генетическими изменениями составляющих их особей.
Динамика численности популяции
Численность популяций не остается постоянной, так как меняются условия их существования. Возникающие изменения численности популяций во времени называются динамикой численности. Ее изучение важно для прогноза перспектив дальнейшего существования популяций и оценки их роли в природных сообществах.
Диапазон колебаний численности популяций зависит от степени изменчивости абиотических и биотических факторов, а также от биологических особенностей конкретного вида (плодовитости, скорости смены поколений, возраста достижения половой зрелости особей и др.). Самые большие диапазоны колебаний численности характерны для мелких быстро размножающихся организмов — бактерий, инфузорий, насекомых, грызунов.
Типы динамики численности.Выделяют сезонный, многолетний, периодический и устойчивый типы динамики численности.
Сезонный типдинамики численности характерен для видов с резко возрастающей плотностью популяций в течение одного сезона. Он свойствен небольшим по размеру организмам, которые дают многочисленное и быстро созревающее потомство и способны поэтому в короткий срок резко увеличить свою численность. К таким организмам относятся представители планктона — дафнии, циклопы, коловратки, а среди наземных — многие виды насекомых, грызунов и однолетних травянистых растений. Например, домашние мухи появляются весной после зимовки в небольшом количестве, однако потомство одной их пары при средней плодовитости самки около 100 яиц за 5—6 поколений может быть очень многочисленным. В действительности этого не происходит из-за гибели значительной части отложенных яиц, личинок
и куколок. И тем не менее численность мух от поколения к поколению сильно увеличивается.
Многолетний тип динамики численности охватывает период в несколько лет и характеризуется фазой минимума, или депрессии, фазой подъема, или нарастания, и фазой максимума, или массовой вспышки, после которой численность снижается, и многолетний цикл повторяется вновь (рис. 1.6). У разных видов продолжительность полного цикла различна и охватывает период от 2 до 10 лет. Такой тип динамики численности имеют саранча, колорадский жук, обитатели тундры — лемминги. Знание циклов динамики численности видов-вредителей позволяет прогнозировать их массовое появление и рассчитывать время для борьбы с ними.
Устойчивый тип динамики численности характерен для видов с более или менее постоянной численностью в течение длительного периода времени. Этот тип динамики свойствен, как правило, крупным животным с большой продолжительностью жизни, поздним наступлением половозре-лости, дающим малочисленное с высокой выживаемостью потомство. Примером могут служить копытные млекопитающие, китообразные, крупные орлы, некоторые пресмыкающиеся.
Изменение численности сопровождается перестройкой возрастной структуры. Когда численность увеличивается, что происходит при наличии достаточного количества необходимых ресурсов (пищи, пространства), отмечается возрастание доли молодых особей (т.е. значительно возрастает рождаемость как абсолютная, так и относительная). Рост численности популяции в конечном счете приводит к уменьшению ресурсов, необходимых особям. Спад численности сопровождается уменьшением доли особей младших возрастов и повышением смертности и продолжается вплоть до наступления следующего благоприятного периода, обусловливающего очередное увеличение численности.
Причины динамики численности.Факторы, вызывающие изменение численности, разнообразны. Их подразделяют на две группы: не зависимые и зависимые от плотности популяции.
К не зависимым от плотности популяции относят преимущественно абиотические факторы. Они действуют на популяцию при любой ее численности. Например, особо суровые зимы вызывают гибель зимующих особей капустной белянки вне зависимости от того, большое или малое количество особей составляет эту популяцию в данный зимний период. Или наоборот, благоприятные условия зимовки могут способствовать повышению численности особей как в малочисленных популяциях, так и в больших. Следовательно, разнообразные абиотические факторы среды могут вызвать значительные колебания численности популяции.
К зависимым от плотности популяциипринадлежат биотические факторы — естественные враги (хищники, паразиты, возбудители болезней) и пищевые ресурсы. Их количество изменяется вместе с изменением численности популяции. Установлено, что как только плотность популяции того или иного вида хищников увеличивается, численность популяции его основной жертвы начинает снижаться. Такой же эффект на популяцию хозяина оказывают и паразиты. Как правило, чем выше плотность популяции, тем сильнее влияние этих факторов. Без них численность популяции могла бы неограниченно увеличиваться, что привело бы к полному уничтожению источников корма. Таким образом, особенность действия факторов^ зависящих от плотности, заключается в сглаживании резких колебаний численности, благодаря чему численность популяции поддерживается на определенном оптимальном уровне.
Одним из механизмоврегулирования численности является плодовитость. Она снижается при уменьшении пищевой обеспеченности, которое наблюдается при увеличении численности популяции. Снижение плодовитости особей приводит к понижению рождаемости, а следовательно, к замедлению темпов роста популяции (рис. 1.7).
Важную роль в регуляции плотности популяции играют поведенческие факторы, в частности территориальность. Наличие у особей определенного вида своего индивидуального участка, который обозначается разными способами (мочой, секретом пахучих желез, царапинами на деревьях, звуками и др. ), ограничивает рост численности их популяций, так как особи, не имеющие собственного участка, не участвуют в размножении.
Таким образом, популяции подвержены воздействию комплекса абиотических и биотических факторов, которые приводят в действие механизмы регуляции их численности. Поэтому в не нарушенных деятельностью человека природных сообществах редко происходит неудержимый рост численности, исчерпание ресурсов и гибель популяций.
Численность естественных популяций не остается постоянной, так ках изменчивы условия окружающей их среды. Диапазон изменчивости численности различен у разных видов. Он обусловлен степенью изменчивости условий среды обитания, а также биологическими особенностями конкретного вида. Выделяют три наиболее часто встречаемых типа динамики численности: сезонный, многолетний периодический и устойчивый. Регуляция численности в природных условиях осуществляется не зависимыми и зависимыми от плотности популяции факторами.