Пирамида животных от простейших до сложных. Общая характеристика и строение типа простейших
Организмы первого трофического уровня называются первичными продуцентами . На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёные водоросли и некоторые бактерии.
Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами . Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом ). Детритом могут также питаться животные – детритофаги , ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).
В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети .
Пищевые сети служат основой для построенияэкологических пирамид . Простейшими из них являются пирамиды численности , которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).
В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы , которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.
Пример сезонного изменения в пирамиде биомассы. |
Пирамиды биомассы не отражают энергетической значимости организмов и не учитывают скорость потребления биомассы. Это может приводить к аномалиям в виде перевёрнутых пирамид. Выходом из положения является построение наиболее сложных пирамид –пирамид энергии . Они показывают количество энергии, прошедшее через каждый трофический уровень экосистемы за определённый промежуток времени (например, за год – чтобы учесть сезонные колебания). В основание пирамиды энергии часто добавляют прямоугольник, показывающий приток солнечной энергии. Пирамиды энергии позволяют сравнивать энергетическую значимость популяций внутри экосистемы. Так, доля энергии, проходящей через почвенных бактерий, несмотря на их ничтожную биомассу, может составлять десятки процентов от общего потока энергии, проходящего через первичных консументов.
Органическое вещество, производимое автотрофами, называется первичной продукцией. Скорость накопления энергии первичными продуцентами называетсяваловой первичной продуктивностью , а скорость накопления органических веществ – чистой первичной продуктивностью . ВПП примерно на 20 % выше, чем ЧПП, так как часть энергии растения тратят на дыхание. Всего растения усваивают около процента солнечной энергии, поглощённой ими.
Поток энергии через пастбищную пищевую цепь. Все цифры даны в кДж на метр в квадрате умноженное на год. |
При поедании одних организмов другими вещество и пища переходят на следующий трофический уровень. Количество органического вещества, накопленного гетеротрофами, называется вторичной продукцией . Поскольку гетеротрофы дышат и выделяют непереваренные остатки, в каждом звене часть энергии теряется. Это накладывает существенное ограничение на длину пищевых цепей; количество звеньев в них редко бывает больше 6. Отметим, что эффективность переноса энергии от одних организмов к другим значительно выше, чем эффективность производства первичной продукции. Средняя эффективность переноса энергии от растения к животному составляет около 10 %, а от животного к животному – 20 %. Обычно растительная пища энергетически менее ценна, так как в ней содержится большое количество целлюлозы и древесины, не перевариваемых большинством животных.
Изучение продуктивности экосистем важно для их рационального использования. Эффективность экосистем может быть повышена за счёт повышения урожайности, уменьшения помех со стороны других организмов (например, сорняков по отношению к сельскохозяйственным культурам), использования культур, более приспобленных к условиям данной экосистемы. По отношению к животным необходимо знать максимальный уровень добычи (то есть количество особей, которые можно изъять из популяции за определённый промежуток времени без ущерба для её дальнейшей продуктивности).
Скорость, с которой продуценты поглощают лучистую энергию солнечного излучения, а, значит, и скорость, с которой в экосистеме происходит накопление органического вещества, определяют, как биологическую продуктивность. Первичную продуктивность P выражают в единицах массы, энергии или эквивалентных единицах в промежуток времени. В процессе производства органического вещества в экосистеме выделяют четыре последовательных уровня: 1) Валовая первичная продуктивность - скорость накопления в процессе фотосинтеза органического вещества (или биомассы), с учетом той его части, которая за время измерений была израсходована на дыхание (то есть на поддержание жизнедеятельности биомассы)
2) Чистая первичная продуктивность - скорость накопления органического вещества в организмах продуцентов, за вычетом той его части, которая была израсходована ими на дыхание. 3) Вторичная продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества на уровне консументов, которые, как известно, питаются готовой биомассой. 4) Чистая продуктивность сообщества - скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами. Эта величина равна разности между чистой первичной продуктивностью сообщества и количеством вещества, не потребленного гетеротрофами. Чистая продуктивность сообщества в определенный момент времени выражается наличной биомассой. Другое название чистой продуктивности сообщества - урожай на корню. Продуктивность экосистемы зависти от ряда факторов. Высокие скорости продуцирования наблюдаются в экосистемах, где физические факторы благоприятны, особенно в случая поступления экосистеме дополнительной энергии извне. Поступление энергии со стороны абиотических компонентов экосистемы уменьшают затраты живых организмов на поддержание собственной жизнедеятельности. Для оценки продуктивности экосистемы необходимо также учитывать утечку энергии с урожаем продукции, а также стрессовые воздействия, уменьшающих долю энергии, задействованной в процессе производства биомассы. Также необходимо рассмотреть баланс между валовой первичной продукцией и дыханием сообщества. Здесь нужно сделать допущение о том, что вся чистая первичная продукция потребляется консументами первого порядка(т.е. консументами, питающихся биомассой продуцентов). Делая аналогичные допущения для последующих уровней питания (так называемых трофических уровней), следует записать следующую систему уравнений: P пр = P к1 + R пр P к1 = P к2 + R к1 , P к2 = P к3 + R к2 ………… P пр = R пр + R к1 + R к2 +…+ R кn Суммирование равенств показывает, что вся валовая первичная продукция полностью расходуется на дыхание сообщества без остатка, то есть все произведенное в экосистеме органическое вещество было полностью потреблено. Данное равенство между производством биомассы и ее потреблением представляет собой иллюстрацию стабильного функционирования любой экосистемы. Примером подобной стабильности может служить экосистема тропического леса, где вся произведенная продуцентами биомасса полностью потребляется гетеротрофными организмами. Чем длиннее пищевая цепь, тем меньше остается к ее концу доступной энергии и тем более широкое основание должно быть у «пирамиды энергий». «Трофические пирамиды» энергии, биомассы, численности – это схематические рисунки, в которых нижняя ступень по своей площади соответствует количеству пищевых ресурсов на первом уровне пищевой цепи, вторая – на следующем и т. д. Простейшая гипотетическая пирамида с десятикратным сокращением площадей трѐх ступеней от нижней к верхней: трава – скот – человек. Более сложная пирамида – последовательность животных арктического моря: микроводоросли (фитопланктон) => мелкие ракообразные (зоо-планктон) => планктонофаги (черви, моллюски) => рыбы => хищные рыбы => более крупные хищные рыбы => тюлени => белый медведь. Исчезновение какого-то вида живого или уменьшение численности популяции на одном из уровней пирамиды энергий или биомассы обязательно ведѐт к сокращению численности популяций на более высоком уровне (уменьшение популяции селедки ведет к сокращению уловов трески).
Количественно переход энергии между трофическими уровнями ограничивается возможностями компенсации потерь для поддержания стабильности систем. Закон «пирамиды энергий», сформулированный Р. Линдеманом (1942 г.), является одним из основных в экологии. Он формулируется следующим образом.
С одного трофического уровня экологической пирамиды на другой, более высокий ее уровень по иерархической лестнице: «продуцент – консумент – редуцент» переходит в среднем около 10 % поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии.
Закон Р. Линдемана, называемый иногда «закон 10 %», примерно описывает замкнутый цикл перехода энергии между трофическими уровнями. Именно примерно, а не математически точно, так как для разных систем переход энергии составляет от 7 до 18 % (Реймерс, 1994). Несмотря на приближенный характер, этот закон чрезвычайно важен. Он является следствием законов сохранения энергии и массы на уровне био-логических систем. Нельзя изымать с предыдущего уровня эко-логической пирамиды для своего питания более «примерно 10 %» массы или энергии, так как система разрушится.
Из закона Р. Линдемана, как его развитие, следуют правила «1 и 10 % », которые примерно очерчивают границы выхода биологических систем из стационарного состояния и последующего разрушения:
1. Для природных систем с организменным типом управления превышение потребления примерно 1 % от потока энергии ведет к выходу системы из стационарного состояния.
2. Порог саморазрушения систем с организменным типом управления составляет примерно 10 % от «нормы» потребления (для популяционных систем превышение в среднем 10 % объема изъятия приводит к выходу из стационарного состояния).
Подчеркивая примерность границ (их научное обоснование отсутствует, и для разных систем возможны отклонения от приведенных значений), следует на основе законов сохранения массы и энергии согласиться, что для сохранения системы можно изымать из нее только определенную, относительно небольшую долю. Значение 5–10 % логически соответствует понятию небольшой доли. Научных доказательств точности выполнения этих правил нет, но «эмпирически порог потребления 5–10 % от суммы вещества, приводящий с переходом через него к заметным изменениям в системах природы, достаточно признан. Принят он, главным образом, на эмпирико-интуитивном уровне» (Реймерс, 1994).
Упрощѐнно понять «правило 10 %» можно на простейшей модели пирамиды численности из двух видов организмов, когда в определѐнном биоценозе проживает 10 коршунов, для пропитания которых необходимо 100 птичек. «Забыв» про закон Р. Линдемана, коршуны увеличили свою норму потребления на 10 %, и в результате осталось только 90 птичек. Но 90 птичек обеспечат нормальное существование только девяти коршунам, а десятый должен умереть. Вид, увеличивший потребление, вынужден снижать свою численность, т.е. равновесная система живых организмов в таком случае разрушается.
Несмотря на приближѐнный характер, правила «1 % и 10 %» можно рассматривать как «самые общие показатели – критерии для выяснения, что опасно в ходе ускоренной эволюции жизни на планете. Такими критическими маркерами, видимо, могут быть «точки Пастера» (Реймерс, 1994). Первая «точка Пастера» в истории Земли была достигнута, когда в результате деятельности прокариотов (организмы без оформленного клеточного ядра: вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли ) содержание кислорода в атмосфере Земли возросло до уровня примерно 1 % от современного и стала возможной более энергетически выгодная аэробная жизнь, когда энергия получается с помощью окислительных процессов. Достижение второй «точки Пастера» – при содержании кислорода в атмосфере планеты около 10 % от современного – происходило при многократном увеличении скорости развития жизненных форм, и эукариоты (организмы с клеточным строением и ядром, отделенным оболочкой от цитоплазмы ) быстро «захватили» всю планету.
Правила «1 и 10 %» следует воспринимать как примерный качественный экологический ориентир для принятия решений о возможной степени разрушения систем с участием живых организмов. Изучение разных систем и уточнение пороговых значений для них – важная задача современной экологии. При этом для человечества жизненно важно уточнить пороги его допустимого вмешательства в биосферные процессы. Особенно должно настораживать то, что значения этих порогов могут оказаться значительно ниже тех, которые уже давно превышены. Н.Ф. Реймерс отмечал: «Особо следует обратить внимание на формулировку «выход из стационарного состояния». Видимо, для глобальной энергетической системы такой выход происходит в рамках 0,1 – 0,2 % от возмущения общепланетарных процессов, т. е. значительно раньше, чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье – Брауна и заметны природные аномалии». Если сопоставить предполагаемое Н. Реймерсом значение порога допустимых изменений энергетических потоков в биосфере с реальным изменением, производимым человечеством, то оно превышает в сотни раз (Поляков, 2004).
Популяции в биоценозах всегда живут в соответствии с законом Р. Линдемана и рассмотренными правилами. Любой живой организм приспосабливается к условиям окружающей среды в своем биоценозе и своей экосистеме, и, как результат взаимодействия, выполняется правило «сохранения видовой среды обитания», т. е. популяции, биоценозы поддерживают собственную среду жизни. Для выживания и поддержания системных взаимосвязей популяции в случае изменения каких-то параметров своей экологической ниши (ресурсы питания, температура, влажность и т.д.) должны приспосабливаться к изменяющимся условиям, соответственно увеличивая или уменьшая свою численность.
Человек, как часть природы, тоже имеет свою экологическую нишу. Но, в отличие от животных, он сам изменяет и разрушает свою нишу, нарушая природное правило. Человек, как биологический вид, остается под контролем главных экологических законов и во взаимоотношениях с природой должен принимать ее условия. Но психологически люди привыкли думать, что взаимоотношения человека и Природы строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Это противоречие и привело к обособлению человека от природной среды. Все более обособляясь от окружающей среды комфортными условиями жизни, человек перестал поддерживать жизнеспособность среды обитания, изымая из нее избыточные потоки ресурсов и отравляя ее не- перерабатываемыми отходами своей жизнедеятельности.
Задачи и упражнения к школьному курсу общей экологии 1
Продолжение. См. No 15/2002
(Печатается с сокращениями)
Пути воздействия организмов на среду обитания
1.
Прошел дождь. Из-за тучи вышло
яркое жаркое солнце. На какой территории через
пять часов содержание почвенной влаги будет
больше (тип почвы одинаков): а) на свежевспаханном
поле; б) на спелом пшеничном поле; в) на невыпасном
лугу; г) на выпасном лугу? Объясните, почему.
(Ответ:
в. Чем гуще растительный покров, тем
меньше нагревается почва и, следовательно,
меньше будет испаряться воды.)
2.
Объясните, почему овраги чаще
формируются в нелесных природных зонах: степях,
полупустынях, пустынях. Какая человеческая
деятельность приводит к формированию оврагов?
(Ответ:
корневые системы деревьев и
кустарников в большей степени, чем травянистой
растительности, задерживают грунт при его смыве
водными потоками, поэтому в местах произрастания
лесной и кустарниковой растительности овраги
формируются реже, чем на полях, в степях и
пустынях. При полном отсутствии растительности
(включая травянистую) любой поток воды будет
вызывать почвенную эрозию. При уничтожении
растительности человеком (пахота, выпас скота,
строительство и т. д.) всегда будет наблюдаться
усиленная эрозия почвы.)
3.*
Установлено, что летом после
жары над лесом выпадает большее количество
осадков, чем над близлежащим обширным полем.
Почему? Объясните роль характера растительности
в формировании уровня засушливости тех или иных
территорий.
(Ответ:
над открытыми пространствами воздух
нагревается быстрее и сильнее, чем над лесом.
Поднимаясь вверх, горячий воздух превращает
капли дождя в пар. В результате во время дождя над
обширным полем изливается меньше воды, чем над
лесом.
Участки с разреженной растительностью или
лишенные ее вообще сильнее нагреваются
солнечными лучами, что вызывает усиленное
испарение влаги, а в итоге – истощение запасов
подземных вод, засоление почвы. Горячий воздух
поднимается вверх. Если участок пустыни
достаточно большой, то это способно значительно
изменять направление воздушных потоков. В
результате на оголенные участки выпадает меньше
осадков, что приводит к еще большему
опустыниванию территории.)
4.*
В некоторых странах и на
островах законом запрещен ввоз живых коз. Власти
мотивируют это тем, что козы могут навредить
природе страны и изменить климат. Объясните, как
это может быть.
(Ответ:
козы питаются не только травой, но и
листьями, а также корой деревьев. Козы способны
быстро размножаться. Достигнув высокой
численности, они беспощадно уничтожают деревья и
кустарники. В странах с недостаточным
количеством осадков это вызывает дальнейшее
иссушение климата. В итоге обедняется природа,
что негативно сказывается на экономике страны.)
Приспособительные формы организмов
1.*
Почему на мелких океанических
островах среди насекомых преобладают бескрылые
формы, тогда как на близлежащем материке или
крупных островах – крылатые?
(Ответ:
мелкие океанические острова
продуваются сильными ветрами. В результате все
летающие мелкие животные, не способные
противостоять сильным ветрам, сдуваются в океан
и погибают. В ходе эволюции насекомые, обитающие
на мелких островах, утратили способность к
полету.)
Приспособительные ритмы жизни
1.
Перечислите известные вам
абиотические факторы среды, значения которых
периодично и закономерно изменяются во времени.
(Ответ:
освещенность в течение суток,
освещенность в течение года, температура в
течение суток, температура в течение года,
влажность в течение года и другие.)
2.
Выберите из списка те места
обитания, в которых животные не имеют суточных
ритмов (при условии, что они обитают только в
пределах одной конкретной среды): озеро, река,
воды пещер, поверхность почвы, дно океана на
глубине 6000 м, горы, кишечник человека, лес, воздух,
грунт на глубине 1,5 м, дно реки на глубине 10 м, кора
живого дерева, почва на глубине 10 см.
(Ответ:
воды пещер, дно океана, грунт на
глубине 1,5 м.)
3.
В каком месяце обычно приносят
потомство антарктические пингвины Адели в
европейских зоопарках– в мае, июне, октябре или
феврале? Ответ объясните.
(Ответ:
в октябре – в Южном полушарии в это
время весна.)
4.
Почему окончился неудачей
эксперимент с акклиматизацией южноамериканской
ламы в горах Тянь-Шаня (где климат похож на
привычные условия родных мест животного)?
(Ответ:
несовпадение годичных циклов –
детеныши животных появлялись на свет в новом
месте обитания осенью (на родине животных в это
время весна) и погибали холодной зимой от
бескормицы.)
ГЛАВА 2. СООБЩЕСТВА И ПОПУЛЯЦИИ
Типы взаимодействий организмов
2.
Из предложенного списка
составьте пары организмов, которые в природе
могут находиться в мутуалистических
(взаимовыгодных) отношениях между собой
(названия организмов можно использовать только
один раз): пчела, гриб подберезовик, актиния, дуб,
береза, рак-отшельник, осина, сойка, клевер, гриб
подосиновик, липа, клубеньковые азотфиксирующие
бактерии.
(Ответ:
пчела – липа; гриб подберезовик –
береза; актиния – рак-отшельник; дуб – сойка;
гриб подосиновик – осина; клевер – клубеньковые
азотфиксирующие бактерии.)
3.
Из предложенного списка
составьте пары организмов, между которыми в
природе могут образовываться трофические
(пищевые) связи (названия организмов можно
использовать только один раз): цапля, ива, тля,
амеба, заяц-русак, муравей, водные бактерии,
кабан, лягушка, смородина, росянка, муравьиный
лев, комар, тигр.
(Ответ:
цапля – лягушка; заяц-русак – ива; тля
– смородина; амеба – водные бактерии; муравьиный
лев – муравей; тигр – кабан; росянка – комар.)
4. Лишайники являются примером биотических отношений:
(Ответ: а.)
5. Примером отношений типа «хищник – жертва» не могут служить пары организмов (выберите правильный ответ):
а) щука и карась;
б) лев и зебра;
в) пресноводная амеба и бактерия;
г) муравьиный лев и муравей;
д) шакал и гриф.
(Ответ: д.)
6.
А. Взаимодействие двух или нескольких
особей, последствия которого для одних
отрицательны, а для других безразличны.
Б. Взаимодействие двух или нескольких особей, при
котором одни используют остатки пищи других, не
причиняя им вреда.
В. Взаимовыгодное взаимодействие двух или
нескольких особей.
Г. Взаимодействие двух или нескольких особей, при
котором одни предоставляют убежища другим, и это
не приносит хозяину ни вреда, ни пользы.
Д. Совместное обитание двух особей,
непосредственно не взаимодействующих между
собой.
Е. Взаимодействие двух или нескольких особей,
имеющих сходные потребности в одних и тех же
ограниченных ресурсах, что приводит к снижению
жизненных показателей взаимодействующих особей.
Ж. Взаимодействие двух или нескольких
организмов, при котором одни питаются живыми
тканями или клетками других и получают от них
место постоянного или временного обитания.
З. Взаимодействие двух или нескольких особей, при
котором одни поедают других.
(Ответ: 1 – В; 2 – Д; 3 – Е; 4 – А; 5 – Г; 6 – Б; 7 – Ж; 8 – З.)
7.
Как вы думаете, для чего
прогрессивные технологии посадки деревьев в
бедную почву предполагают заражение грунта
определенными видами грибов?
(Ответ:
между этими грибами и деревом
формируются симбиотические отношения. Грибы
быстро образуют очень разветвленную грибницу и
оплетают своими гифами корни деревьев. Благодаря
этому растение получает воду и минеральные соли
с огромной площади поверхности почвы. Чтобы
достичь такого эффекта без грибницы, дереву
пришлось бы потратить много времени, вещества и
энергии на формирование столь разветвленной
корневой системы. При посадке на новое место
симбиоз с грибом значительно повышает шансы
дерева благополучно прижиться.)
8.*
Назовите организмы, являющиеся
симбионтами человека. Какую роль они выполняют?
(Ответ:
представители бактерий и простейших,
обитающих в кишечнике человека. В 1 г содержимого
толстой кишки насчитывается 250 млрд
микроорганизмов. Многие вещества, поступающие в
организм человека с пищей, перевариваются при их
активном участии. Без кишечных симбионтов
нормальное развитие невозможно. Болезнь, при
которой уменьшается количество симбиотических
организмов кишечника, называется
дисбактериозом. Микроорганизмы живут также в
тканях, полостях и на поверхности кожи человека.)
9.* Взаимоотношения взрослой ели и соседствующего проростка дуба являются примером:
(Ответ: а.)
Законы и следствия пищевых отношений
1. Соотнесите предлагаемые понятия и определения:
А. Организм, который активно
разыскивает и убивает относительно крупные
жертвы, способные убегать, прятаться или
сопротивляться.
Б. Организм (имеющий, как правило, небольшие
размеры), который использует живые ткани или
клетки другого организма в качестве источника
питания и среды обитания.
В. Организм, который поглощает многочисленные
пищевые объекты, как правило, растительного
происхождения, на поиск которых он не тратит
много сил.
Г. Водное животное, процеживающее через себя воду
с многочисленными мелкими организмами, которые
служат ему пищей.
В. Организм, который разыскивает и поедает
относительно мелкие, не способные убегать и
сопротивляться пищевые объекты.
(Ответ: 1 – Б; 2 – Г; 3 – А; 4 – Д; 5 – В.)
2.
Объясните, почему в Китае в
середине ХХ в. вслед за уничтожением воробьев
резко снизился урожай зерновых. Ведь воробьи –
зерноядные птицы.
(Ответ:
взрослые воробьи питаются в основном
семенами, но птенцы для своего развития
нуждаются в белковой пище. Выкармливая
потомство, воробьи собирают огромное количество
насекомых, в том числе и вредителей зерновых
культур. Уничтожение воробьев вызвало вспышки
размножения вредителей, что привело к сокращению
урожая.)
Законы конкурентных отношений в природе
1. Для каждой предложенной пары
организмов подберите ресурс (из приведенных
ниже), за который они могут конкурировать: ландыш
– сосна, полевая мышь – обыкновенная полевка,
волк – лисица, окунь – щука, канюк –
сова-неясыть, барсук – лисица, рожь – василек
синий, саксаул – верблюжья колючка, шмель –
пчела.
Ресурсы: нора, нектар, семена пшеницы, вода, зайцы,
свет, мелкая плотва, ионы калия, мелкие грызуны.
(Ответ:
ландыш и сосна – ионы калия; полевая
мышь и обыкновенная полевка – семена пшеницы;
волк и лисица – зайцы; окунь и щука – мелкая
плотва; канюк и неясыть – мелкие грызуны; барсук
и лисица – нора; рожь и василек – свет; саксаул и
верблюжья колючка – вода; шмель и пчела –
нектар.)
2.*
Близкородственные виды часто
обитают вместе, хотя принято считать, что между
ними существует наиболее сильная конкуренция.
Почему в этих случаях не происходит вытеснения
одним видом другого?
(Ответ:
1 – очень часто совместно обитающие
близкие виды занимают разные экологические ниши
(различаются по составу предпочитаемой пищи, по
способу добывания корма, используют различные
микроместообитания, активны в разное время
суток); 2 – конкуренция может отсутствовать, если
ресурс, за который виды соперничают, находится в
избытке; 3 – вытеснения не происходит, если
численность конкурентно более сильного вида
постоянно ограничивается хищником или третьим
конкурентом; 4 – в нестабильной среде, в которой
условия постоянно меняются, они могут поочередно
становиться благоприятными то для одного, то для
другого вида.)
3.*
В природе сосна обыкновенная
формирует леса на относительно бедных почвах в
болотистых или, наоборот, сухих местах.
Посаженная руками человека, она прекрасно растет
на богатых почвах со средней увлажненностью, но
только в том случае, если человек ухаживает за
посадками. Объясните, почему так происходит.
(Ответ:
обычно в этих условиях в конкурентной
борьбе побеждают другие виды деревьев (в
зависимости от условий это могут быть осина,
липа, клен, вяз, дуб, ель и др.). Человек же при
уходе за посадками ослабляет конкурентную мощь
этих видов, проводя прополку, вырубку и т.п.)
Популяции
1. Выберите значение, оценивающее показатель плотности населения популяции:
а) 20 особей;
б) 20 особей на гектар;
в) 20 особей на 100 размножающихся самок;
г) 20%;
д) 20 особей на 100 ловушек;
е) 20 особей в год.
(Ответ: б.)
2. Выберите значение, оценивающее показатель рождаемости (или смертности) населения популяции:
а) 100 особей;
б) 100 особей в год;
в) 100 особей на гектар;
г) 100.
(Ответ: б.)
3. Зайцы-беляки и зайцы-русаки, обитающие на одной территории, составляют:
а) одну популяцию одного вида;
б) две популяции двух видов;
в) две популяции одного вида;
г) одну популяцию разных видов.
(Ответ: б.)
4.
На территории площадью 100 км2
ежегодно производили рубку леса. На момент
организации на этой территории заповедника было
отмечено 50 лосей. Через 5 лет численность лосей
увеличилась до 650 голов. Еще через 10 лет
количество лосей уменьшилось до 90 и
стабилизировалось в последующие годы на уровне
80–110 голов.
Определите плотность поголовья лосей: а) на
момент создания заповедника; б) через 5 лет после
создания заповедника; в) через 15 лет после
создания заповедника. Объясните, почему сначала
численность лосей резко возросла, а позже упала и
стабилизировалась.
(Ответ:
а – 0,5 особи/км2; б – 6,5 особи/км2; в – 0,9
особи/км2. Численность лосей возросла из-за
охраны на территории заповедника. Позже
численность уменьшилась, так как в заповедниках
рубка леса запрещена. Это привело к тому, что
через 15 лет мелкие деревья, растущие на старых
вырубках, выросли, и кормовая база лосей
уменьшилась.)
5.
Охотоведы установили, что весной
на площади 20 км2 таежного леса обитало 8 соболей,
из которых 4 самки (взрослые соболи не образуют
постоянных пар). Ежегодно одна самка в среднем
приносит трех детенышей. Средняя смертность
соболей (взрослых и детенышей) на конец года
составляет 10%. Определите численность соболей в
конце года; плотность весной и в конце года;
показатель смертности за год; показатель
рождаемости за год.
(Ответ:
численность соболей в конце года – 18
особей; плотность весной – 0,4 особи/км2 ;
плотность в конце года 0,9 особи/км2; показатель
смертности за год – 2 особи (согласно расчетам –
1,8, но реальная величина, естественно, всегда
будет выражаться целым числом); показатель
рождаемости за год – 12 особей.)
6.*
Является ли популяцией: а) группа
гепардов в Московском зоопарке; б) семья волков;
в) окуни в озере; г) пшеница на поле; д) улитки
одного вида в одном горном ущелье; е) птичий
базар; ж) бурые медведи на острове Сахалин; з)
стадо (семья) оленей; и) благородные олени в Крыму;
к) колония грачей; л) все растения ельника? Ответ
обоснуйте.
(Ответ:
да – в, д, ж, и. Популяция – это группа
особей одного вида, взаимосвязанных между собой,
продолжительное время (несколько поколений)
обитающая на одной территории. Популяция – это
естественная группировка, которая обладает
определенной половой, возрастной,
пространственной структурой.)
7.*
Чем объяснить то, что если в
борьбе двух (не бойцовых) собак одна подставит
незащищенную шею, другая не станет за нее
хватать, в то время как в борьбе рыси и собаки
такое поведение окажется роковым для
подставившей шею собаки?
(Ответ:
агрессия между особями одного вида,
как правило, направлена на поддержание
иерархической и пространственной структуры
популяции, а не на уничтожение соплеменников.
Популяция, как и вид, представляет собой единое
целое, и благополучие одной особи во многом
определяет благополучие популяции, вида. Рысь же
попросту съест собаку.)
8.*
В лесу ученые равномерно
расставили ловушки на зайцев-беляков. Всего было
поймано 50 зверьков. Их пометили и отпустили.
Через неделю отлов повторили. Поймали 70 зайцев,
из которых 20 были уже с метками. Определите,
какова численность зайцев на исследуемой
территории, считая, что меченые в первый раз
зверьки равномерно распределились по лесу.
(Ответ:
50 меченых особей должны были
распределиться среди общего количества зайцев
(Х), обитающих на исследуемой территории. Доля их
в повторной выборке должна отражать и их долю в
общей численности, т.е. 50 относится к Х как 20
относится к 70.
Решаем пропорцию:
50: Х = 20: 70; Х = 70х 50: 20 = 175.
Таким образом расчетная численность зайцев на
исследуемой территории составляет 175 особей.
Данный метод (индекс Линкольна, или индекс
Петерсена) используется для определения
численности скрытных животных, которых не
удается пересчитать напрямую. Результат
расчетов может иметь дробное значение, однако
надо помнить, что реальная численность животных
всегда выражается целой величиной. Кроме того,
данный метод имеет свои погрешности, что тоже
надо принимать во внимание. Логичней говорить,
например, о численности в 170–180 особей.)
Демографическая структура популяции
1.
Объясните, почему из популяции
кабана, без риска ее уничтожить, можно изъять до
30% особей, тогда как допустимый отстрел лосей не
должен превышать 15% численности популяции?
(Ответ:
самка кабана в среднем приносит от 4 до
8 (иногда до 15) поросят, а самка лося – 1–2. Поэтому
восстановление поголовья кабанов идет более
быстрыми темпами.)
2.
Какие организмы имеют простую, а
какие – сложную возрастную структуру популяций?
(Ответ:
простой возрастной структурой
популяций отличаются организмы,
продолжительность жизненного цикла которых не
превышает одного года, а размножение происходит
один раз в жизни и приурочено к сезонным
изменениям в окружающей среде. Это, например,
однолетние растения, ряд видов насекомых и т.п. В
противных случаях возрастная структура
популяций может быть сложной.)
3.
Объясните, почему значительная
весенняя гибель взрослых землероек-бурозубок
приведет к резкому и продолжительному спаду
численности популяции, в то время как полное
уничтожение всех вылетевших весной взрослых
майских жуков не приведет к подобному
результату.
(Ответ:
популяция бурозубок весной
представлена исключительно взрослыми зверьками
прошлого года рождения. Майские жуки, чьи личинки
развиваются в почве на протяжение 3–4 лет, имеют
сложную возрастную структуру популяции. При
гибели взрослых особей одной весной на следующий
год их заменят жуки, развившиеся из другого
поколения личинок.)
4. Постройте возрастные пирамиды, отражающие возрастной состав населения России (140 млн жителей) и Индонезии (190 млн жителей), используя приведенные данные.
Продолжение следует
1 Знаками «*» и «**» отмечены задания повышенной сложности, имеющие познавательный и проблемный характер.
Пищевые цепи и трофические уровни
Вспомним биотическую структуру экосистемы. Внутри экосистемы содержащие энергию органические вещества создаются автотрофными организмами и служат пищей (источником вещества и энергии) для гетеротрофов.
Питаясь друг другом, живые организмы осуществляют перенос энергии и вещества и образуют цепи питания. Пищевые отношения также называют трофическими (от греч. трофее – жизнь)
Трофическая (пищевая) цепь – это цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим, а каждое ее звено - трофическим уровнем (греч. trophos – питание). Первый трофический уровень занимают автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего – вторичными консументами и т.д. Обычно бывает четыре или пять трофических уровней и редко больше шести.
Последний трофический уровень – редуценты – они осуществляют минерализацию, причем могут разлагать все трофические уровни, начиная со 2.
Различают 2 вида пищевых цепей:
Цепи выедания (пастбищные) – начинаются с живых фототрофов. Например
Трава → мышь→ сова → ястреб
Цепи разложения (детритные) – начинаются с детрита. Например,
Мертвое животное → личинки мух → травяная лягушка →уж.
Стрелка показывает перенос энергии.
Цепи выедания преобладают в водных экосистемах, цепи разложения – в экосистемах суши.
Реально пищевые цепи намного сложнее, т.к. животное может питаться организмами разных типов. Некоторые животные питаются другими животными и растениями, всеядные (человек, медведь). Цепи сложным образом переплетаются и образуют пищевые сети. Например
Пищевые цепи можно представить в виде экологических пирамид, в которых прямоугольники отображают экологическую эффективность уровня и располагаются один над другим. Высота блоков одинакова, а длина каждого пропорциональна продуктивности каждого уровня (числу, массе, кол-ву энергии). Высота пирамиды соответствует длине пищевой цепи.
Экологическая пирамида представляет собой трофическую цепь. Чем длиннее цепь, тем меньше значение по биомассе, числу или энергии имеют плодоядные на вершине пирамиды. Всего около 0,1% энергии, полу- чаемой от Солнца, связывается в процессе фотосинтеза. За счет этой энергии синтезируется несколько тысяч грамм сухого органического вещества на 1 м3 в год. Более половины энергии, связанной при фотосинтезе, тут же расходуется в процессе дыхания самих растений. Другая её часть переносится посредством ряда организмов по пищевым цепям. При поедании животными растений большая часть энергии, содержащейся в пище: расходуется на различные процессы жизнедеятельности, превращаясь в тепло и рассеиваясь. Только 5-20% энергии пищи переходит во вновь построенное вещество тела животного. Проиллюстрируем: пирамидами чисел, биомасс и энергий очень простую пищевую цепь человека.
Пирамида чисел (пирамида Элтона):
Простейших раньше выделяли в ранге подцарства царства Животные. Сейчас их считают отдельным царством. Однако организмы, относящиеся к Простейшим, преимущественно имеют гетеротрофный способ питания, а также подвижны. В связи с этим их всё-таки можно считать животными.
Прежняя классификация простейших, делящая их на Саркодовые, Жгутиковые, Ресничные и Споровики считается устаревшей. Сейчас используются несколько другие таксономические группы.
Простейшие - одноклеточные формы жизни, а также иногда колониальные (например, вольвокс ). От бактерий их отличает наличие ядра, т. е. они эукариоты. Колонии отличаются от примитивных многоклеточных животных тем, что в колониях отсутствует дифференциация клеток (все клетки одинаковые, или почти одинаковые). Образование колоний одноклеточными организмами на заре биологической эволюции можно рассматривать как этап на пути к многоклеточности.
Поскольку у простейших на одну клетку возложены функции целого организма, то они имеют отличия от клеток многоклеточных. У них есть такие клеточные структуры, которые не встретишь в клетках многоклеточных животных.
В клетках простейших образуются пищеварительные вакуоли, есть сократительные вакуоли, у более сложных форм (инфузории) образуются подобие рта (клеточный рот ) и анального отверстия (порошица ). У ряда видов есть светочувствительное образование (глазок, или стигма ). Органами передвижения служат жгутики, реснички . У корненожек (к которым относится амеба) образуются ложноножки (псевдоподии ).
Простейшие реагируют не только на свет, но и на химический состав окружающей среды. Так инфузории улавливают вещества, выделяемые их пищей (бактериями) и движутся к ним. Могут «выстреливать» в своего хищника специальными жалящими образованиями. То есть реагируют на касание. Ответная реакция организма на внешнее воздействие называется раздражимостью. У простейших раздражимость существует в виде положительных или отрицательных таксисов (фототаксис, хемотаксис).
Размножение происходит преимущественно бесполым путем. Однако встречается и половое размножение, а также половой процесс (конъюгаци я ).
Кроме цитоплазматической мембраны, на поверхности у многих простейших есть плотная пелликула (эвглена зеленая), придающая телу форму, а также цитоскелет (инфузория туфелька), представляющий собой уплотненный внешний слой цитоплазмы.
Ядер в клетках простейших может быть одно или несколько.
Пища переваривается в пищеварительных вакуолях . После чего питательные вещества всасываются в цитоплазму, а не переваренные остатки выбрасываются из клетки в любом месте или строго определенном.
Сократительные вакуоли выводят из клеток излишки воды, а также вредные вещества. Наиболее сложное строение сократительные вакуоли имеют у инфузории-туфельки. У нее каждая из двух вакуолей имеет несколько канальцев и резервуар. Пресноводные простейшие вынуждены активно откачивать из своего тела лишнюю воду, так как она постоянно поступает через цитоплазматическую мембрану. Это происходит потому, что концентрация солей в клетке выше, чем в окружающей воде.
При неблагоприятных условиях многие простейшие образуют цисты , в которых клетка покрыта плотной оболочкой и находится в стадии покоя.
Согласно теории эволюции, все виды живых существ на Земле постепенно, долгие миллионы лет, развивались из своих одноклеточных предков. Более сложные организмы, вероятнее всего, возникли из колоний простейших. Это можно отследить, если подробнее изучить основные типы животных. Классификация разделяет все существа на виды, семейства, отряды, классы согласно их строению и внешним признакам, которые приобретались во время эволюционного совершенствования.
Формировались новые типы появлялись органы, которых не было у древнейших предков. Начальную стадию такого прогресса можно наблюдать у губок. У кишечнополостных уже есть прекрасно выраженные энтодерма и эктодерма, а также зачатки мускулатуры. Высшие типы животных характеризуются сложным строением нервной системы и других систем органов. Для понимания эволюции необходимо рассмотреть подробнее их важнейшие особенности.
Простейшие
Это микроскопические существа, имеющие одноклеточную структуру. Ученым известно около 15 тысяч видов Форма их тела различная, от лучисто-радиальной до асимметричной. Часто образуют сложные колонии, что позволяет ученым предположить, как возникли многоклеточные типы животных. Подразделяются на классы, в зависимости от способов передвижения и строения тела.
Губки
Самые примитивные многоклеточные организмы. Обитают чаще всего в море. Их разделяют на 3 класса, в зависимости от состава скелета. Образ жизни у них прикрепленный. Другие типы Царства Животных им противопоставляются, потому что у губок отсутствуют характерные органы и ткани. Присутствует наружный, защищающий организм с поверхности, и внутренний слой, состоящий из особых жгутиковых воротничковых клеток. Между ними располагается мезоглея - иногда весьма массивная группа клеток, часть из которых образует скелет.
Кишечнополостные
Тела этих животных состоят всего из двух слоев клеток, которые окружают полость тела, называемую кишечной, с одним ротовым отверстием. Обладают зачатками нервной и мышечной ткани. Кровеносной и нет. Образ жизни у кишечнополостных бывает сидячим или свободноподвижным. Обитают, за редкими исключениями, в морской воде и образуют обширные колонии. К этому типу относятся медузы, кораллы, гидроидные полипы и актинии.
Плоские черви
Круглые черви
Кольчатые черви
Тела таких животных состоят из отдельных сегментов. Обладают кровеносной системой, высокой способностью к регенерации зачатками примитивных конечностей и вторичной полости тела. Другие, более высокоразвитые типы Царства Животных были сформированы под влиянием этих изменений. От морских кольчатых червей произошли многочисленные представители группы членистоногих.
Моллюски
Животные, мягкое тело которых обычно защищено раковиной. Обладают высокоразвитой нервной системой, вторичной полостью тела. Появились органы чувств и сердце - мышца, которая перекачивает кровь. У можно различить туловище и ногу, у брюхоногих - голову. Обитают как в морской и пресной воде, так и на суше.
Иглокожие
Обитатели морских глубин. Размеры самых крупных представителей не превышают 50 см. Тип включает классы морских ежей, звезд, лилий и другие. Образ жизни неподвижный, благодаря чему выработалась свойственная только иглокожим пятилучевая симметрия. У представителей типа есть кровеносная система, мезодермический внутренний скелет.
Членистоногие
Типы животных бывают очень обширными. Именно такой группой являются тип - самый разнообразный и богатый видами. Характерными признаками типа являются наличие сложных органов чувств в виде выделенных придатков ротовой полости - усиков, четкого разделения тела на отделы, конечностей, состоящих из сегментов, для более эффективного передвижения. Развитие членистоногих проходило от вымерших трилобитов, примитивной группы, являющейся родоначальной для ракообразных и паукообразных, до высших летающих насекомых. Многоножки считаются переходным звеном эволюции этого типа.
Хордовые
Тип включает в себя виды и классы, разнообразные по своему внешнему виду, образу жизни, среде обитания. Типы нервной системы у животных объединяет сформированная на спинной части тела трубка, являющаяся центром всех многочисленных окончаний, которую защищает хорда, хрящевой или костный стержень, опора скелета. Развитие представителей различных классов можно отследить от личинкохордовых и бесчерепных (ланцетников) до сложноорганизованных приматов, отличающихся высоким интеллектом.
Рыбы
Встречаются хрящевые, лопастеперые или мясистолопастные, костные. Представители первой группы имеют плотную кожу с плакоидной, свойственной только им чешуей. Рот располагается на нижней стороне тела, отсутствуют легкие и плавательный пузырь, скелет состоит из хрящей.
Лопастеперых рыб разделяют на двоякодышащих и кистеперых. Последние представлены сейчас только одним родом, обитающим в Индийском океане. Они очень схожи с предками земноводных и вызывают особый интерес исследователей-сторонников теории эволюции. Двоякодышащие имеют как жабры, так и легкие.
Костные - это большая часть современных представителей класса рыб. Имеют и твердый скелет; кожа в основном покрыта чешуей, но есть многочисленные исключения.
Земноводные
Как правило, личинки этих существ дышат жабрами и живут в воде. Взрослая особь имеет легкие и живет на суше. Кожа увлажнена и лишена волос или чешуи. К этому классу относятся лягушки, тритоны, жабы, саламандры.
Пресмыкающиеся
Тело покрыто чешуей, обитают и на суше, и в воде. В древности этот класс доминировал среди остальных по численности, но после главное место заняли млекопитающие. Имеют разнообразные размеры, форму тела, образ жизни. Крокодилы, ящерицы, змеи, черепахи являются представителями пресмыкающихся.
Птицы
Анатомически близки к рептилиям, но у них появилась способность самостоятельно поддерживать температуру своего тела вне зависимости от условий среды обитания. У птиц отлично сформировавшиеся легкие, четырехкамерное сердце и крылья, которые позволяют большинству из них перемещаться по воздуху.
Млекопитающие
Названы так из-за наличия специальных желез, секретом которых они выкармливают детенышей. Тело обычно покрыто шерстью, они теплокровны, конечности подведены под тело и развернуты вперед. У высших млекопитающих, приматов, развивается интеллект, что очень способствует выживанию.
Все существа разделяются на 3 категории по способу питания:
. Травоядные . Употребляют исключительно растительную пищу - водоросли, травы, листья или плоды. Например, лось, олень, кролик.
. Хищники . Едят насекомых или плоть других животных. Например, лягушка, тигр, рысь.
. Всеядные . В зависимости от окружающих условий, могут питаться как растительной, так и животной пищей. Например, медведь, синица, кабан.
Океан жизни
Древние предки современных существ постепенно выходили из океана, ставшего колыбелью жизни Земли. Эта миграция могла происходить несколькими путями - через побережья на сушу, в пресные воды или в подземные пещеры. В связи с кардинальной переменой среды обитания изменялись и совершенствовались типы животных тканей, что было необходимо для выживания. Некоторые группы - киты, рептилии и птицы - затем вернулись в море, пройдя долгий эволюционный путь.
Сейчас представители большинства классов обитают в океане или рядом с ним. Очень многие виды животных, особенно беспозвоночные, остаются неизменными миллионы лет и представляют собой ценный ресурс для изучения. Другие основные типы животных считаются сравнительно молодыми, но их исследование помогло выявить генетические связи между, казалось бы, разными группами. Это оказывает огромное влияние на осознание единения человека с окружающей природой и понимание огромной схожести живых существ.