Популяция экологиясы-демэкология

Экожүйе  өнімділігі

   Бірлестіктің маңызды қасиеті-олардың жаңа биомассаны құрауға қабілеттілігі. Бұл қасиет жүйенің өнімділігі түсінігінің негізінде жатыр.

Экожүйелерде органикалық заттардың құралу жылдамдығы- биологиялық өнімділік, ал тірі организмдердің дене массасы- биомасса деп аталады. Сонымен, биологиялық өнімділік олардың биомассасын құру жылдамдығы. Өнім мөлшері көбіне энергетикалық эквиваленттермен (мысалы, бір тәулікте 1 м² –ге келетін калория немесе джоуль) немесе құрғақ органикалық заттың массасының мөлшерімен (мысалы, 1 жылдағы 1 гектардағы килограмм) сипатталады.

Экожүйенің биотикалық құрамына энергия продуценттер арқылы келеді.

Бастапқы немесе алғашқы өнімділік (БӨ). Ол продуценттердің биомассасын түзу жылдамдығы. Күн энергиясының 100 %-тінің 1-5 %-і ғана хлорофилмен сіңіріліп, органикалық молекуланың синтезі үшін жұмсалады (сәуленің қалған 95-99%-і шағылысып жылуға айналуына байланысты сіңіріледі және судың булануына жұмсалады).

Химиялық байланыстардың энергиясы түрінде өсімдіктердің  энергия жинақтайтын жылдамдығы жалпы бастапқы өнімділік деп  аталады (ЖБӨ). Бұл энергияның шамамен 20%-і өсімдіктердің тыныс алуына және тіршілігінің басқа да процестеріне жұмсалады. Оларды Р  процестеріне жұмсалатын бөлігін есептеп алып тастағаннан кейінгі, органикалық заттардың жинақталу жылдамдығы таза бастапқы өнімділік деп аталады (ТБӨ).

ТБӨ =  ЖБӨ - Р

Бір организмнің қоректенуі үшін қорек (зат пен энерия) бір  қоректік деңгейден екіншісіне көшеді. Қоректің қорытылмаған бөлігі жануарлардың экскременттерімен сыртқа шығарылады (олардың құрамында энергияның белгілі бір мөлшері болады). Жануарлар да, өсімдіктер сияқты, өзінің тыныс алуында және басқа да тіршілік процестерінде энергияның бір бөлігін жоғалтады. Тыныс алу, ас қорыту және экскрециямен байланысты жоғалғаннан кейінгі энергия өсуге, іс әрекетін қолдауға және көбеюге пайдаланылады.

Гетеротрофты организмдерде  органикалық заттардың жиналу жылдамдығы екінші реттік өнімділік (ЕӨ) деп аталады. Екінші реттік өнімділік барлық қоректік деңгейде кездеседі. Өсімдіктер өнімділігі алғашқы, ал жануарлардың немесе басқа консументтер өнімділігі  екінші реттік өнімділік деп аталады. Екінші реттік өнімділік біріншіден көп болуы мүмкін.

Консументтердің энергетикалық  тепе теңдігі былай жинақталады: пайдаланылған қорек = өсу + тыныс  алу + экскремент немесе  Р=П+ R +H, мұнда

Р- консумент рационы, яғни белгілі бір уақыт аралығындағы олардың жеген тағамдарының саны.

П- организмнің өсуіне жұмсалған энергия

R-тыныс алуға және  басқа да процестерге жұмсалған  энергия.

Н -экскремент түрінде  бөліп шығарылған қоректің энергиясы.

Қорыта айтқанда, нақты  бір қоректік тізбектерде өсімдіктер қорегінде жинақталған энергияның мөлшерін және берілуін есептеуге болады. Өсімдік фотосинтез кезінде шамамен 1% күн энергиясын байланыстырады. Осы өсімдікпен қоректенген жануарлар, онда жинақталған энергияны толығымен пайдалана алмайды. Қоректің бір бөлігі қорытылмайды және экскременттер түрінде бөлінеді. Әдетте өсімдіктер жемінің 20-60%-ке дейінгі мөлшері меңгеріледі. Меңгерілген энергия жануарлардың өсу, көбею т.б. тіршіліктеріне жұмсалады. Мүшелер мен клеткалардың жұмысы кезінде жылу бөлінеді, өйткені қоректің энергиясының біразы қоршаған ортаға таралады. Қорытылған қоректің тек шамалысы ғана жаңа ұлпаның түілуіне, майдың қорға жинақталуына жұмсалады. Жас организмдерге бұл үлес ересектерімен салыстырғанда бірнеше есе көп. Сондықтан алғашқы кезеңнен бастап қоректік тізбектен энергияның көп жоғалуы байқалады.

Заттар мен энергия тасымалдануының әрбір кезеңінде шамамен 90 %- і жоғалады және олардың 1/10 бөлігі ғана келесі тұтынушыға көшеді. Организмдердің қоректік тізбегіндегі энергияның берілу заңы «10 % ереже» деп аталады. Бұл заңды 1942 жылы Р.Линдеман ашқандықтан, кейде оны «Линдеман заңы» деп те атайды.

Егер өсімдіктердің  органикалық алғашқы өнімділігі 1000 Дж болса, онымен қоректенетін шөп  қоректі жануарлардың денесінде  бұл мөлшерден 100 Дж қалады. Ал осы  шөп қоректі жануарлармен қоректенген  жыртқыш денесіне барлығы 10 Дж өтеді, кейін бұл жыртқышпен басқасы қоректенсе, оның үлесіне тек ғана 1 Дж тиеді. Сонымен жасыл өсімдіктен жинақталған энергия қоры қоректік тізбектерде тез таусылады. Сондықтан қоректік тізбек әдетте, барлығы 4-5 звенодан аспайды.

Бастапқы өнімілік және биомассаның әлемдік таралуы

Тірі заттың жалпы  биомассасы әртүрлі есептеулер бойынша, 1800- 2500 млрд тоннаны құрайды. 90 %–тен астамы жерүсті өсімдіктер биомассасына, қалғаны су өсімдіктері мен гетеротрофты организмдердің биомассасын құрайды. Сондықтан жердің тірі затында негізгі орынды құрлық өсімдіктері алады. Автотрофты организмдердің географиялық таралуы жылу мен ылғалдылыққа байланысты біркелкі емес. 650 т/га жететін фитомассасының негізгі қоры  (53%) тропикалық аймақтарға келеді. Полярлы және шөлді жерлерде фитомасса қоры 12% құрайды, әдетте оның өнімділігі 12 г/га аспайды.

Құрлықтың гетеротрофты организмдерінің биомассасын негізінен  жануарлар биомассасын (зоомасса) құрайды. Олар өсімдіктер биомассасынан бірнеше  есе аз. Әртүрлі биогеоценозда  барлық биомассаның 0,05-5% дейін зоомасса құрайды. Бұл жағдайда топырақ микроорганизмдері мен омыртқасыздардың биомассасы жоғары, ал жалпы зоомассада жерүсті омыртқалылардың үлесі 0,2-4%.

Толығымен биосферада өтетін процестерді реттеуде биомассасы аз болса да, құрлық жануарлары маңызды роль атқарады. Мысалы, шегіртке тобыры немесе киік үйірі үлкен аудандағы өсімдіктер әлемін жояды. Топырақтың құнарлығын жоғарылататын жауын құртының топырақ түзуде маңызы зор.

Құрлық биомассасына қарағанда, әлемдік мұхиттың биомассасы анағұрлым аз. Бұл жерде өсімдіктер мен жануарлар биомассасы қорының қатынасы басқаша. Фитомасса (балдыр және фитопланктон) барлығы небәрі 0,2-0,3 млрд т құрайды, ал бұл уақытта зоомасса 5-6 млрд т-ға жетеді.

Мұхит фитомассасының мөлшері  қоректік немесе биогенді заттар мөлшерімен шектеледі.

Биологиялық өнімділік  биомассамен қатар, тірі заттардың  маңызды сипаттамасы болып саналады. Жерүсті өсімдіктерінің жалпы жылдық өнімділігі шамамен 180-200 млрд т-ға бағаланады. Оның негізгі бөлігі тропикалық белдеуге келеді. Мұхиттың биомассасының жылдық өнімділігі 50-100 млрд т-ны құрайды. Сонымен мұхит Жер шарының 2/3 бөлігін алса да, ол барлық биосфера өнімділігінің 1/3-ін ғана береді.

Кез келген биоценозда қоректік тізбектің  реттілігі мен өнімділігін  бағаласақ, біз алдыңғылармен салыстырғанда, әрқайсысы 10 есе кем болатын кемитін сандардан тұратын қатар шығады. Бұл қатарды үшкір төбесі бар кең негізді пирамида түрінде графикпен көрсетуге болады.

Биологиялық өнімділік  заңдарының маңызы

Өнімділік экожүйелердің  құнарлылығын сипаттайды. Сондықтан оны зерттеу- экологиялық зерттеулердің өте маңызды бағыты. 10 жыл көлемінде (1964 жылдың 1974 жылдар бойы) дүние жүзінде келісілген түрде экожүйенің өнімділігі және оған әсер ететін факторлар жөніндегі мәліметтерді жинау жүргізілді. Бұл зерттеу Халықаралық биологиялық бағдарлама жүйесінде өткізілді.

Құрлықтың, тұщы және тұзды  сулардың өнімділіктері жөніндегі  мәліметтер халықтардың өте тез  өсуіне және табиғи биологиялық қорларды тиімді басқару жүйелерін жасау  проблемаларын тез шешу қажеттілігінен туған.

Экожүйедегі табиғи зоналармен салыстырғанда ауылшаруашылық егістіктерінің өнімділігі көп төмен. Егістік жерлер жыл сайын бос қалады және ол жерлерде барлық қорларды толығымен пайдалана  алмайтын қандай да бір түр өсіп шығады. Қарқынды жер өңдеудің нәтижесінде егістік максимальды жағдайларға жақындауы мүмкін.

Қоректік  тізбектегі энергияның жоғалуы және биологиялық өнімділік зандарын білудің үлкен практикалық маңызы бар. Осылардың негізінде- үлкен мөлшерде бастапқы және екінші реттік өнімділік алуға болатын және антропогендік және табиғи жүйенің қайта өндеуге қабілеттілігін жоғарлататын саналы және үздік шаруашылық іс -әрекетін құрастыруға болады.

Адамдар үшін энергетикалық  тиімділік өсімдік тәрізді қоректену, ал қымбаттылығы - жыртқыш түрлердің тағамды пайдалануы. Сонымен өсуге жұмсалатын энергия жағынан 1 кг сиыр етіне қарағанда 1 кг алабұға немесе шортан табиғатта 7 есе қымбат. Сондықтан жануар қоректі жануарларды адамдар, сирек жағдайда, мысалы, аң шаруашылығында жүргізіледі. Шошқа және тауықтар сияқты, кейбір түрлерді біздің ата-тектеріміздің кең түрде үй жануарларына айналдыруы кездейсоқ емес. Олар өсуге пайдаланылатын энергияның жоғары коэффициентімен сипатталады.

Адамдар үшін бір ғана өсімдік қоректері жеткіліксіз, өйткені өсімдіктердің көпшілігі адамдарды жануар белогының құрамына кіретін кейбір алмастырылмайтын амин қышқылдарымен қамтамасыз ете алмайды.

Екінші реттік өнімділікті жануарларды өсіру арқылы өндіру, сонымен қатар, жабайы түрлердің өнімдері- қоғам жетістіктерінің өте маңызды жағдайлары.  Қазіргі адамзат үшін ең маңызды мәселелердің бірі- әлемнің көптеген аудандарындағы адамдардың тағамдық рационына «белоктық ашығу» деп аталатын жануарлардың қорегінің жетіспеушілігі.

Экожүйенің  қоректік құрылымы

Қоректік тізбектегі қарым-қатынастың нәтижесінде энергияның тасымалдануы арқылы әрбір бірлестіктің белгілі қоректік құрылымы болады. Қоректік құрылымды аудан бірлестігінде жиналған энергия мөлшерін анықтап, экологиялық пирамида түрінде көрсетуге болады.

Пирамида негізін 1-ші деңгей (продуценттер деңгейі) құрайды, ал келесі деңгейлері пирамиданың қатар және төбесін түзеді. Бұл құбылысты 1927 жылы Ч.Элтон зерттеді. Экологиялық пирамиданың негізгі үш түрі болады.

Сандар пирамидасы (м²/даралар саны) - әртүрлі қоректік деңгейдегі организмдердің санын көрсетеді. Орманның жайылымдық қоректік тізбегінің басы продуценттер- ағаш болса, ал 1 реттік консументтер - бунақденелілер болғанда, 1 реттік консументтер деңгейінің санынан продуценттер деңгейі особьтар санынан көбірек. Бұл жағдайда сандар пирамидасы- төңкерілген күйде болады.

Сандар пирамидасы     Биомасса пирамидасы     Энергия пирамидасы

(аудан бірлігіндегі                    (биомассаның құрғақ             (Дж/м² жыл)

особьтар саны)                                салмағы г/м³)

 

 

Экологиялық пирамидалар  типі

 

Биомасса пирамидасы-(г/м²)әрбір қоректік деңгейдегі тірі заттардың жалпы құрғақ салмағын сипаттайды.

Экожүйеде өте ұсақ продуценттер мен ірі консументтердің жалпы салмағынан кез келген уақытта продуценттердің жалпы салмағы жоғары, яғни биомасса пирамидасы да төнкерілген болуы мүмкін.

Энергия пирамидасы- (Дж/м² жыл)-қоректік деңгейдегі энергия ағынының немесе "өнімділігінің" шамасын көрсетеді. Жүйеге қорекпен келетін энергияның барлық көзі ескерілген жағдайда, энергия пирамидасы жоғары қарай үшкірленеді.

Экологиялық пирамидаларының  үш түрінің ішінен энергия пирамидасы ғана бірлестіктің қызметтік ұйымдасуы туралы толық мәлімет береді. Қандай да бір қоректік деңгейді бір жағдайларда қолдауы мүмкін организмдер саны мен массасы керек уақытта ілгері тұрған деңгейдегі жинақталған энергияның санына емес, оның қоректі өндіру жылдамдығына байланысты. Жүйенің есебін бейнелейтін сандар мен биомасса пирамидалары емес, энергия пирамидасы  қоректік тізбек  арқылы  қорек массасының  өту жылдамдығын көрсетеді.

Энергия пирамидаларынсыз биомасса және сан пирамидаларын құрастыру популяцияның қызметтік ролін, күшті ажыратылатын метаболизм қарқынын, яғни особьтардың мөлшерін сенімсіз бағалауға әкелуі мүмкін. Саны жағынан көрсеткіштер - ұсақ организмдердің белгілерін қайта санауға, ал биомасса жағынан көрсеткіштер - ірі организмдердің ролін қайта бағалауға әкеледі. Жүйенің мөлшері мен күрделілігін өзін-өзі қолдайтын энергия шығыны тежейді. Егер өзін-өзі қолдауға кеткен энергия оның түсуімен тең болса, жүйе өсуі тоқталады. Осындай тепе-теңдік жағдайда  қолдауы мүмкін биомасса саны орта қолдаушы максимальды сыйымдылығы деп аталады.

Қоршаған ортаның өзгерістеріне  қабілетті қарсы тұратын оптимальды қолдаушы сыйымдылық максимальды сыйымдылықтан  теориялық жағынан екі есе төмен деп еспетелінеді. Сонымен, мысалы, мамандардың есептеулері бойынша, жердің оптимальды қолдаушы сыйымдылығында 8,5-13,5 млрд адам бар. Қазіргі кезде біздің планетамыздың халықтарының орналасу саны шамамен 6,0 млрд адамды құрайды, ал 2010 жылы БҰҰ-ның есебі бойынша ол шамамен 6,3-6,5 млрд адамды құрауы мүмкін.

Экологиялық сукцессиялар. Экожүйенің өзіндік дамуы  және оның тұрақтылығы

Бірлестік құрылымы белгілі бір уақыт бойында  біртіндеп құрылады. Ағаштар мен бұталар оларға қажетті топырақ болмағандықтан, жалаң тау жыныстарында өсе алмайды. Бірақ, осы жерлерге түскен балдырлар өсіп-өніп, «балдырлар бірлестігін» құрайды.

 

Экологиялық сукцессия мысалы

Өлген, ыдыраған организмдердің біртіндеп жинақталуы және тау жыныстарының эрозиясы желдену  нәтижесінде папоротниктер мен мүктер сияқты ірі өсімдіктер өсе алатын қажетті мөлшердегі топырақ қабатын қалыптастыруға әкеледі. Бұл өсімдіктерден кейін ірі және қоректік заттарды көп талап ететін шөптесін бұталар мен ағаштары болатын тұқымды өсімдіктер өсе бастайды. Мұндай уақыт кезеңдерінде жер бетінің белгілі бір участогінде бір биоценоздың басқалармен аусуын- сукцессия деп атайды (succesio- ауысу, бірізді). Сукцессия терминін 1898 жылы Г.Каулсон  ұсынды.