Устойчивость живых систем

6

Лекция

Устойчивость живых систем

Живые организмы, образующие популяции различных биологических сообществ и экосистем, в определенной степени способны противостоять внешним изменениям и воздействиям или восстанавливаться до первоначального состояния, если эти внешние воздействия не слишком сильные. Другими словами, организмы имеют некоторую степень устойчивости.

Необходимо различать три вида устойчивости живых систем.

· Инертность или выносливость (живучесть), - это способность живых систем сопротивляться различным нарушениям или изменениям.

· Постоянство - это способность живых систем, например, популяций, сохранять свои размеры.

· Упругость - способность живых систем самовосстанавливаться после действия внешних нарушений, если они не были катастрофическими.

Последствия экологических стрессов

1. На уровне организмов:

- физиологические и биохимические изменения (пульс, температура);

- психологические нарушения (нарушение сна);

- поведенческие нарушения (неадекватное поведение, невроз);

- сокращение или отсутствие воспроизводства;

- мутации;

- врожденные уродства;

- заболевания;

- смерть.

2. На уровне популяций:

- понижение или повышение численности популяции;

- изменения в возрастной структуре (старые или молодые особи гибнут);

- естественный отбор наследственных черт, способствующих выживанию в условиях экологического стресса;

- потеря генетического разнообразия и приспособляемости;

- вымирание.

3. На уровне сообществ, экосистем и экосферы:

- нарушение энергетического потока (изменение теплоотдачи, изменение в трофических цепях);

- нарушение химических циклов (понижение запасов питательных веществ, чрезмерное поступление питательных веществ);

- сокращение видового разнообразия;

- сокращение или исчезновение экологической ниши;

- возможное понижение устойчивости экосистемы;

- возможная гибель экосистемы.

РЕАКЦИЯ ПОПУЛЯЦИЙ НА РЕЗКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

Изменения в размерах, структуре и распределении популяций

Популяции, которые составляют часть экосистем, по-разному реагируют на такие изменения условий окружающей среды, как увеличение или уменьшение количества пищи.

Динамика популяций - изменения в размерах, структуре и распределении популяций как реакция на условия окружающей среды.

Особи некоторых видов животных могут избежать или уменьшить действие резкого изменения окружающей среды, покидая территорию своего обитания (эмиграция) и мигрируя на другую (иммиграция), с более благоприятными экологическими условиями и лучшей обеспеченностью ресурсами. Таким образом, четыре величины (переменных фактора) - рождаемость, смертность, иммиграция и эмиграция - определяют скорость изменения числа особей в популяции за период времени:

Изменение численности популяции = (рождаемость + иммиграция) - (смертность + эмиграция).

На рождаемость влияют:

Плотность популяции - количество особей на единицу площади.

Плотность популяции должна находится в определенных пределах: если ниже нормы - падение рождаемости за счет трудностей в поиске партнера, выше - падение рождаемости за счет перенаселения и стрессов.

Рис. 16

Факторы, влияющие на смертность: недостаток пищи, нарушение местообитания, избыток конкурентов, избыток хищников, отсутствие убежищ, вредители и болезни, невозможность миграции и адаптации.

Кривые выживаемости

Рис. 17

Для человека и крупных млекопитающих характерны забота о потомстве, что обеспечивет низкий уровень смертности в начале жизни. Для видов второй группы характерен примерно постоянный уровень смертности в течение всей жизни. Для видов третьей группы характерен высокий уровень смертности молодых особей и повышение живучести с возрастом

Рис. 18

Модели динамики популяций

1. J-образная кривая.

При неограниченных ресурсах и идеальных природных условиях виды реализуют максимальную рождаемость. Такой рост популяции начинается медленно и затем стремительно нарастает по экспоненте, то есть кривая роста популяции принимает J-образный вид.

Рис. 19

dN/dt = rN

r - выраженная скорость роста численности популяции, связана с максимальной скоростью размножения; чем выше скорость размножения, тем выше r.

r > 0, N ^ экспоненциально (бум и крах популяции)

r < 0, N v экспоненциально (бум и крах популяции)

размеры не стабилизируются

2. S-образная кривая

При ограниченных ресурсах размеры популяции того или иного вида также ограничены, и смертность начинает расти, когда численность популяции достигает или временно превышает емкость экосистемы. Когда это случается, J--образная кривая роста популяции начинает плавно изгибаться и принимает вид S-образной кривой.

Рис. 20

dN/dt = rN · (K - N)/K

K - максимальное число организмов, которое может поддерживаться в данных условиях среды (емкость экосистемы); отражает влияние среды на снижение роста.

N > K, скорость роста отрицательна

N < K, скорость роста положительна

N = K, скорость роста равна нулю - стабилизация популяции.

Стратегии выживания

Основные виды кривых численности популяций в природе:

- относительная стабильность;

- скачкообразный рост;

- циклические колебания.

R и K - стратегии популяций.

Рис. 21

Образование и вымирание видов

Видообразование и вымирание видов - реакция на изменение условий окружающей среды.

Полагают, что 94-99% когда-либо существующих на земле видов вымерли (за 5 млрд. лет).

Для сохранения вида необходимо несколько десятков раздельно-половых особей:

Примеры вымерших видов:

- странствующий голубь (из-за охоты на них человека);

- динозавры (из-за изменения условий окружающей среды).

Видообразование:

- путем естественной селекции по одной генетической линии (лошадь);

- за счет расщепления исходного вида (в результате по ареалам с различными условиями, за счет

географической изоляции или миграции, например лисица: север - арктическая лисица (белая)

юг - серая лисица).

Изоляция в течение 10³ - 10⁵ поколений.

Арктическая лисица - приспособлена к холодному климату (густой мех, короткие уши, лапы и нос, белая окраска). Серая лисица - приспособлена к жаркому климату (редкий мех, длинные уши, лапы и нос). Арктическая и серая лисица вместе не скрещиваются в естественных условиях.

Коэволюция - под взаимным влиянием различных организмов: один вид оказывает влияние на другой.

Наиболее ценные ресурсы земли:

Биоразнообразие - включает два взаимосвязанных понятия: генетическое разнообразие и видовое разнообразие.

Видовое разнообразие - число различных видов внутри одного сообщества.

Генетическое разнообразие - многообразие генетических свойств у особей одного вида.

Изменения экосистем в ответ на крупномасштабный стресс

С течением времени экосистемы меняются (зарастание водоема или вырубки)

Экологическая сукцессия - процесс, при котором одни сообщества видов растений и животных заменяются серией других, и обычно более сложных сообществ.

Экологическая сукцессия продолжается до тех пор, пока сообщество не станет максимально стабильным и самообеспечивающимся для данных условий (т.е. зрелым).

Зрелые сообщества - пустыни, травянистые системы и леса (в зависимости от климата)

Первичная сукцессия - последовательное развитие сообществ на участках, лишенных почв (скалы и глины после прохождения ледника, вулканическая лава и пепел, участки открытой добычи полезных ископаемых).

Голая природа зрелый лес

несколько тысяч лет

Вторичная сукцессия - последовательное развитие сообществ в ареале, где естественная растительность уничтожена или сильно нарушена, но почва и донные отложения сохранены (заброшенные с/х угодья, вырубка, сильно загрязненные водоемы, земли, затопленные при строительстве водохранилища) - десятки и сотни лет.

1) поле однолетние многолетние кустарники молодой зрелый дубовый лес.

дикие растения дикие растения сосновый лес

Северная Каролина; время 150 лет.

2) вырубки травы кустарники и лиственный лес зрелый хвойный лес.

молодые деревья (березовая роща)

Средняя полоса; время 100 лет.

3) пруд болото луг лес (сотни лет).

Сопоставление зрелых и незрелых экосистем

Рис. 22