Популяция как биологическая экосистема. Пространственные и временные характеристики популяций

МИНИСТЕРСТВО СПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградская государственная академия физической культуры»

 

Кафедра анатомии и физиологии

 

РЕФЕРАТ

По биологии

На тему: Популяция как биологическая экосистема. Пространственные и временные характеристики популяций.

 

 

 

 

Выполнил: Белоконев А.А.

студент 1 курса ФЗО гр. 12 ФКб

проверил: Адельшина Г. А.

 

 

Волгоград – 2014 г.

 

      Содержание:

1. Понятие популяции

      2.Конкуренция и  виды конкуренции

      3. Пищевые цепи

      4. Экологические факторы, действующие на жизнедеятельность организмов

      5. Структура и свойства популяций

      6. Динамика популяций

      7. Характеристика человеческих экосистем

      8. Взаимозависимость и взаимодействие в человеческих экосистемах

      Список использованной  литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие популяции

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.

Популяция - это совокупность особей одного вида, обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций. Популяция обладает только ей присущими особенностями: численностью, плотностью, пространственным распределением особей. Различают возрастную, половую, размерную структуру популяции. Соотношение разных по возрасту и полу групп в популяции определяют ее основные функции. Соотношение разных возрастных групп зависит от двух причин: от особенностей жизненного цикла вида и от внешних условий. Состав. Условно в популяции можно выделить три экологические возрастные группы: пререпродуктивная - группа особей, возраст которых не достиг способности воспроизведения; репродуктивная - группа, воспроизводящая новые особи; пострепродуктивная - особи, утратившие способность участвовать в воспроизведении новых поколений. Длительность этих возрастов по отношению к общей продолжительности жизни сильно варьирует у разных организмов. Выделяют виды с простой возрастной структурой, когда популяция представлена организмами одного возраста, и виды со сложной возрастной структурой, когда в популяции представлены все возрастные группы или одновременно живут несколько поколений. Численность и плотность выражают количественные характеристики популяции как целого. Численность популяции выражается числом особей данного вида, обитающих на единице занимаемой ею площади. Динамика численности популяций во времени определяется соотношением показателей рождаемости, смертности, выживаемости, которые в свою очередь определяются условиями жизни. Плотность популяции - это величина популяции, отнесенная к единице пространства: число особей, или биомасса, популяции на единицу площади или объема. Плотность зависит от трофического уровня, на котором находится популяция. Чем ниже трофический уровень, тем выше плотность. У многих видов в тех или иных условиях рождаются преимущественно самцы или самки, а иногда особи, неспособные к воспроизведению. У тлей, например, летом, сменяют друг друга поколения, состоящие из одних самок. При неблагоприятных условиях появляются самцы. У некоторых брюхоногих моллюсков, многощетинковых червей, рыб, ракообразных происходит изменение пола особи с возрастом.

Типы пространственного распределения особей в популяциях.

Типы пространственного распределения особей в популяциях:

1) равномерный - равное удаление  каждой особи от всех соседних (в природе встречается редко);

2) случайный (диффузный) - встречается  чаще;

3) мозаичный (агрегированный) - характерен  для высших животных.

Участок обитания играет биологическую роль в жизни животных. Они хорошо исследуют территорию обитания, перемещаются по своим тропам, выбирают места укрытия, формируют запасы корма. Обеспеченность кормом, количество убежищ, мест, пригодных для создания гнезд, нор, - все эти факторы определяют приуроченность участка к определенному месту. Существование животных, птиц, рыб в составе группы имеет биологические преимущества: уменьшение затрат на добычу корма, своевременное обнаружение хищника, организация обороны от его нападения, возможность обучения молодых особей группы. В стадах, стаях существуют индивидуальная дистанция, которую соблюдают особи по отношению друг к другу, и синхронизация действий при движении (перелетах] популяции. Важным фактором поддержания целостности стада как функциональной популяционной системы является поддержание информационных контактов. Информация передается звуками, запахами, через следы, тропы, норы, гнезда, фекалии, электрическими разрядами (некоторые рыбы), механическими колебаниями воды (беспозвоночные). Часто происходит сближение внутрипопуляционных группировок - перекрывание территорий.

2. Конкуренция и виды конкуренции

Конкуренция - взаимодействие организмов, проявляющееся во взаимном угнетении друг друга из-за потребности в одном и том же ресурсе - потребляемом компоненте среды. Конкуренция - биотический фактор - возникает в результате нехватки ресурса или его ограниченной доступности. Таким ресурсом может быть объект питания для животных, элементы минерального питания для растений (соединения фосфора, азота, калия и др.), пространство для устройства гнезда, норы, количество света и влаги и т.д.

Конкуренция бывает:

1) межвидовой - распространяется практически  на все виды организмов. Формы  проявления - от жестокой борьбы  до почти мирного сосуществования. Выигрывает в борьбе вид, который  в данных экологических условиях  имеет хотя бы небольшие преимущества  перед другим видом. Например, в  результате конкуренции двух  сходных видов растений, произрастающих  в одной среде, победу одерживает  тот вид, который раньше достигнет  яруса, имеющего лучшую освещенность. Итог межвидовой конкуренции - вытеснение  одного из двух видов из  сообщества или расхождение этих  видов по различным экологическим  нишам. Межвидовая конкуренция играет  важную роль в формировании  облика природного сообщества;

2) внутривидовая - борьба за территорию, участок обитания, охрана индивидуального  охотничьего участка (территориальность). У растений территорию занимает  вид - часть популяции, у животных - особь. Борьба особи за территорию  может осуществляться простым  пением, угрожающими позами. Об интенсивности  внутривидовой конкуренции можно  судить по тому, как снижается  скорость роста популяции - падает  рождаемость и растет смертность - при увеличении ее плотности. Территориальность является способом  не допустить слишком высокой  плотности особей своего вида  и сохранить кормовую базу  для себя и потомства. Согласно  математической модели, развитой  и подтвержденной экспериментально  русским ученым Г.Ф. Гаузе, сформулирован  принцип конкурентного исключения (теорема Гаузе), который гласит: «Два вида, конкурирующие за один  ресурс, не могут существовать в гомогенной среде, и исход конкуренции определяется соотношением интенсивности самоограничения каждой из популяций и их взаимоотношений». Принцип в последнее время оспаривается. Сосуществование конкурирующих видов (несоблюдение закона Гаузе) происходит по следующим причинам:

1) популяции разных видов ограничены  разными ресурсами;

2) хищник преимущественно выедает  более сильного конкурента;

3) конкурентное преимущество видов  изменяется в зависимости от  непостоянства внешних условий;

4) популяции разных видов разделены  в пространстве и времени.

Устойчивые биогеохимические циклы вещества и энергии в биосфере нашей планеты формируются вследствие биологического разнообразия потребляемого организмами набора веществ и выделяемых в природную среду продуктов жизнедеятельности.

3. Пищевые цепи

Пищевые цепи - трофические цепи - включают ряд видов или их групп, каждое предыдущее звено в котором служит пищей для следующего. Всех первичных консументов независимо от размеров и места обитания можно считать растительноядными животными на пастбище. От растений через таких животных, называемых пасущимися, идет поток энергии. Этот поток обозначается пастбищной пищевой цепью. В пастбищных пищевых цепях наблюдается явление «выедания» в результате повышения плотности популяций. Несмотря на большое количество растительноядных животных, масса наземных растений очень велика. Между членами трофической цепи складываются сложные отношения, которые прошли длительный путь совместной эволюции. При возрастании плотности популяции включаются регулирующие механизмы, которые закономерно сменяют друг друга. В результате этого растения выработали средства защиты от потребителей - защитные покровы, химические вещества, делающие их несъедобными для консументов. В ответ на повышение плотности жертв возрастает их потребление каждой особью хищника (до определенных пределов). При высокой плотности популяции влияют на ее динамику различные инфекционные заболевания. Так работает защита пастбищных цепей от выедания. Связь типа регуляции с положением вида в трофической цепи проявляется только в среднем и только в наземных экосистемах. Напротив, основные продуценты водной среды - микроскопические планктонные водоросли - могут сильно выедаться зоопланктоном. Организмы, использующие в качестве пищи мертвое органическое вещество (трупы, фекалии, растительный опад и т.п.), называются редуцентами. Поток энергии от мертвого органического вещества - детрита - до полного использования и рассеивания в виде тепла при дыхании, называется детритной пищевой цепью. Животные участвуют на первых стадиях разложения - они измельчают ткани пищевых объектов, разлагая в процессе пищеварения молекулы белков, углеводов. Основная часть процесса деструкции идет в почве. В категорию редуцентов входят многие виды бактерий, грибов и актиномицетов и простейших, завершающих минерализацию органического вещества. Энергия в цепях разложения частично аккумулируется в составе тканей организмов-редуцентов, тела которых после гибели также попадают в цикл редукции. При определенных условиях (недостатке кислорода, повышенной кислотности, высокой влажности, мерзлоте) редукция в почве замедляется и происходит накопление не полностью переработанного высокоэнергоемкого вещества, превращающегося со временем в торф, нефть и уголь.

Окружающая среда служит источником необходимых веществ для процессов обмена в организме. Комплекс факторов естественной среды обитания воздействует на живой организм. Поэтому любой организм адаптируется к факторам среды.

4. Экологические факторы, действующие на жизнедеятельность организмов

Важнейшие экологические факторы, действующие на жизнедеятельность организмов, следующие:

Температура. Влияет на скорость обменных процессов. Существуют верхний и нижний температурный пороги жизни. Эти пороги неодинаковы для разных видов живых организмов. Ряд видов бактерий обитают в горячих источниках с температурой воды 70 "С, растения степей, саванн и пустынь выдерживают нагревание до 5060 "С, растения влажных тропических лесов, водоросли теплых морей погибают при температуре чуть выше 0°С, морозоустойчивые формы растений выдерживают полное зимнее промерзание.

Вода и минеральные соли. Вода составляет основную массу организмов растений и животных (5080%, у ряда видов до 95%). Водный обмен организма со средой складывается из двух процессов:

1) поступления воды в организм - в виде питья из источников, в виде росы, тумана, дождя, с пищей;

2) отдачи ее во внешнюю среду - с мочой, экскрементами, путем испарения.

Осадки определяют режим водоемов, почвенной влаги и влажности воздуха. Необходимое условие нормальных функций организма - определенный набор солей, входящих в ткани и играющих важную роль в обменных механизмах клеток. Многие растения (суккуленты и склерофиты) приспособились к жизни в условиях постоянного и регулярного дефицита влаги, на засоленных почвах (растения-галофиты). Пустынные животные адаптируются к водному голоданию. Изменение содержания солей в пище вызывает у млекопитающих-фитофагов также ряд адаптивных реакций.

Кислород. Кислород необходим абсолютному большинству живых организмов, в том числе высшим растениям и животным, для получения энергии в результате аэробного окисления органических веществ. У растений дыхание осуществляется всеми органами и тканями. Организмы, обитающие в водной среде, используют специальные органы дыхания (жабры) либо извлекают его всей поверхностью тела. В транспорте кислорода принимают участие дыхательные пигменты (гемоглобин) крови. У обитателей воздушной среды увеличена дыхательная поверхность и активизирована вентиляция легких. У видов, обитающих в высокогорных районах, повышено содержание гемоглобина и эритроцитов. У ныряющих животных запасы кислорода накапливаются в крови и мышцах.

Свет. Большинству видов растений и животных свойственны суточная периодичность проявления активности, сезонный характер репродукции. Человечество вносит косвенные изменения в состав и условия существования природных сообществ всеми формами своей деятельности, приобретающей глобальный характер. Производство и применение фреонов (хлорфторуглеводородов) привело к истощению озонового слоя, особенно в районах полюсов. Функция озонового слоя - защитного экрана на пути ультрафиолетового излучения, губительного для живых организмов, ослабевает. Существенно изменяется состав атмосферного воздуха планеты благодаря увеличению выбросов диоксида углерода и аэрозолей, что ведет к чрезмерному поглощению воздухом теплового излучения Земли - созданию «парникового эффекта». В результате потепления климата прогнозируются таяние ледников, подъем вод Мирового океана, затопление большой площади материков. Дальнейшие последствия этого процесса трудно предсказать. Ежегодно на материки обрушиваются стихийные бедствия: наводнения, землетрясения, ураганы и смерчи, сильнейшие засухи, стремительные увеличения популяций вредителей, уничтожающих сельскохозяйственные и лесные угодья. Огромный вред наносят окружающей природной среде ТЭЦ, ГЭС, АЭС, ТЭС. Строительство этих объектов коренным образом меняет ландшафт, плотины перегораживают пути миграции поднимающихся на нерест рыб, образуя искусственные водохранилища, выбросы продуктов сгорания загрязняют атмосферный воздух, отходы отработанного ядерного топлива пополняют объекты их временного захоронения. Добыча полезных ископаемых ведет к истощению разведанных ресурсов, образованию техногенного ландшафта, состоящего из безжизненных отвалов пустых пород, покрывающих плодородные почвы. Нормальное функционирование природных экосистем невозможно без лесных сообществ, которые катастрофически уничтожаются. Этот процесс сопровождается утратой видового разнообразия. Процесс синантропизации животных и птиц сопровождается бурным ростом популяций этих видов. Растет количество видов интродуцентов, вытесняющих естественных обитателей экосистем. Загрязнение вод Мирового океана стоками также является экологической проблемой, состоящей в аккумуляции токсичных веществ в организмах гидробионтов. Загрязнение водных объектов в результате разлива нефти и нефтепродуктов приводит к массовой гибели животных и птиц. Особая опасность заключается в проникновении в подземные воды пестицидов, гербицидов, солей тяжелых металлов, радиоактивных загрязнений. Экологической проблемой глобального характера являются общее ухудшение состояния здоровья населения планеты: высокая смертность, патологические изменения у новорожденных детей, распространение инфекций.

5. Структура и 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. Мелкие организмы имеют более высокие значения rтах, 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 rтах.

Тем не менее преимущества, даваемые большими размерами тела, должны превышать недостатки, связанные с уменьшением rтах, 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 увеличение филетического размера.

Крупные размеры тела дают совершенно очевидные преимущества: более крупный организм должен привлекать меньше 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: предрепродуционный, репродукционный и пострепродукционный. Относительная продолжительность каждого из них у разных видов весьма различна. У многих животных первый период самый длинный. Ярким примером могут служить поденки, у которых предрепродуционный период достигает 3 лет, а репродукционный занимает всего от 2-3 ч до 1 суток. 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.

Первый тип  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, 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 женщин. Для большинства копытных кривые выживания также выпуклые, хотя и в различной степени для разных видов, а также в зависимости от пола. Второй тип 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 - сильно вогнутые кривые, отражающие высокую смертность особей в раннем возрасте. Так характеризуется продолжительность жизни некоторых птиц, рыб, а также многих беспозвоночных.