Лабораторная работа №7 Письменно выполните задания к лабораторной работе

Занятие 7 Регуляция численности и плотности популяций. Экологические стратегии выживания

Цель занятия: усвоить понятие гомеостаза живых систем, рассмотреть действующие механизмы регуляции численности и плотности популяции, овладеть навыками обнаружения стресс-реакции у животных, определения жизненной стратегии вида.

Теоретические сведения

В целом можно выделить динамику популяций, независимую от плотности (численности) ее особей и зависимую от плотности. Соответственно различаются и механизмы (факторы), оказывающие влияние на плотность. При независимом от плотности типе изменения численности, последняя обусловливается в основном абиотическими факторами (погодные явления, наличие пищи, различного рода катастрофы и т. п.). Эти факторы могут обеспечивать условия как для неограниченного, хотя и кратковременного роста популяций, так и для снижения их численности до нулевой. Такие факторы обычно называют модифицирующими.

Зависимая от плотности динамика популяций обеспечивается биотическими факторами. Их называют регулирующими. Они «работают» по принципу обратной отрицательной связи: чем значительнее численность, тем сильнее срабатывают механизмы, обусловливающие ее снижение, и наоборот - при низкой численности сила этих механизмов ослабевает и создаются условия для более полной реализации биотического потенциала. Факторы такого типа лежат в основе популяционного гомеостаза, обеспечивающего поддержание численности в определенных границах значений.

Известно три типа зависимости численности популяции от ее плотности (рис. 19). При первом типе (кривая 1) скорость роста популяции уменьшается по мере увеличения плотности (синицы, африканские слоны). При втором типе зависимости (кривая 2) темп роста популяции максимален при средних, а не при низких значениях плотности. Этот тип характерен для видов, у которых отмечен групповой эффект. При третьем типе (кривая 3) темп роста популяции не изменяется до тех пор, пока не достигнет высокой плотности, затем резко падает (лемминги).

Рисунок 19 – Типы зависимости роста популяции от плотности (по А.К. Бродскому, 1996)

Действие регулирующих факторов реализуется на уровне межвидовых и внутривидовых (внутрипопуляционных) взаимоотношений организмов. К межвидовым механизмам гомеостаза относятся типа хищник – жертва. В таком же плане действуют и взаимоотношения паразит – хозяин. При высокой численности жертв и хозяев создаются условия для увеличения количества соответственно хищников и паразитов.

В основе внутрипопуляционного гомеостаза лежит конкуренция. В растительном мире это проявляется в самоизреживании растительных популяций. Например, на стадии всходов и молодых растений в лесных сообществах на одном гектаре насчитывается до нескольких сотен тысяч древесных растений. К возрасту спелости (100-120 лет для хвойных видов и 50-70 лет для лиственных) число экземпляров обычно не превышает 1000 на 1 га, но чаще исчисляется несколькими сотнями. Остальные погибают в процессе острой конкурентной борьбы. В результате этого, с одной стороны, освобождается пространство для остающихся более сильных особей, а с другой - ослабленные и погибающие особи выполняют положительную роль для сохранения популяции через включение в процессы круговорота, обогащение почвы минеральными веществами и гумусом. Часть ослабленных особей, еще при жизни, становится донорами для питания более сильных экземпляров. Это возможно в результате имеющего место срастания корней. Частным подтверждением таких явлений служат не единичные случаи нарастания годичных колец на пнях деревьев («растущие пни»).

В животном мире результат острой внутривидовой борьбы проявляется часто в форме каннибализма. Такие явления наиболее часты среди хищников. Например, взрослые окуни при высокой численности популяции, особенно в небольших водоемах, начинают питаться мальками своего вида. Явления каннибализма характерны также для некоторых грызунов, личинок насекомых, особенно в случаях существования в ограниченном пространстве. Поедание потомства домашними животными, по-видимому, один из случаев атавизма (лат. атавус - отдаленный предок), явления, которое раньше имело место в природных популяциях.

Смягченные формы внутривидовой конкуренции прояв­ляются обычно через ослабление части особей, выключения их из процессов размножения. К таким механизмам внутрипопуляционного гомеостаза относятся угнетающие (ингибирующие) выделения веществ во внешнюю среду более сильными особями, стрессовые явления, разграничение территорий (территориальность), механизмы поддержания иерархии.

Помимо выше описанной регуляции существует еще саморегуляция, при которой на численности популяции сказывается изменение качества особей. При большой скученности (избыточной плотности) в организмах происходят физиологические изменения в результате так называемой стресс-реакции, вызываемой неестественно большим скоплением особей (рис. 20).

Рисунок 20 – Схема стресс-реакции у млекопитающих

Например, у самок грызунов происходит воспаление надпочечников, что ведет к сокращению рождаемости за счет рассасывания эмбрионов. Кроме того, нехватка пищи заставляет особей эмигрировать на новые участки, что приводит к значительной их гибели в пути и на новых участках, в новых условиях, т. е. повышается смертность и сокращается численность.

Таким образом, саморегуляция обеспечивается механизмами торможения роста численности. Таких гипотетических механизмов три:

ü   при возрастании плотности и повышенной частоте контактов между особями возникает стрессовое состояние, уменьшающее рождаемость и повышающее смертность;

ü   при возрастании плотности усиливается миграция в новые места обитания, краевые зоны, где условия менее благоприятны, повышается смертность;

ü   при возрастании плотности происходят изменения генетического состава популяции – замена быстро размножающихся на медленно размножающихся особей.

Это свидетельствует о важнейшей роли популяции как в генетико-эволюционном смысле, так и в чисто экологическом.

Экологическая стратегия выживания – способ вида сохраняться во времени. Экологических стратегий выживания множество. Все их многообразие заключено между двумя типами эволюционного отбора, которые обозначаются константами логистического уравнения: r-стратегия и К-стратегия (табл. 10). По существу, эти две стратегии представляют решение одной задачи – задачи длительного выживания вида. Тип r-стратегия, или r-отбор, определяется отбором, направленным, прежде всего, на повышение скорости роста. К-стратегия (или К-отбор) направлена на повышение выживаемости в условиях уже стабилизировавшейся численности.

Один из основных факторов, влияющих на размеры популяции - это процент особей, погибающих до достижения половой зрелости. В пределах любого вида эта величина гораздо более изменчива, чем плодовитость. Для того чтобы численность популяции оставалась постоянной, в среднем только два потомка каждой пары должны доживать до репродуктивного возраста.

Таблица 10 - Характерные особенности r- и К-видов

Задания к лабораторной работе

Задание 1.  Если численность популяции лося составляет 600 особей, через 5 лет она составила 800 особей. Рассчитайте сколько особей можно отстреливать ежегодно, не нанося вреда популяции и экосистеме?

Задание 2.  В охотничьем хозяйстве численность стада лосей составляет 500 особей. Определите, на сколько голов будет увеличиваться стадо при ежегодном приросте 15 %. Укажите, что произойдет с плотностью популяции, если территория хозяйства 40000 га. Помните, плотность рассчитывается по количеству особей на 1000 га. Определите сколько особей можно изъять из популяции с учетом темпов ее роста?

Задание 3. Численность популяции бобров в дельте реки менялась по годам: 650 особей, 483 особи, 711 особей, 560 особей. Постройте график  изменения численности. При условии, что прирост ежегодно составлял 36 %, рассчитайте показатели абсолютного прироста. Можно ли предположить, что популяция изолирована?

Задание 4. В течение 25 лет численность популяции пятнистого оленя, определяемая через каждые 5 лет, изменялась следующим образом: 421, 588, 639, 497, 400 особей. Отразите колебания на графике. Какой тип динамики характерен для этого вида? Какой стратегии придерживается вид?

Задание 5. Площадь охотничьего хозяйства составляет 39000 га. Лесистость хозяйства 73 %. Леса на этой площади имеют среднее качество. Численность стада лося  определяется в 421 особь. Рассчитайте плотность популяции. Дайте оценку плотности (оптимальная, низкая, высокая, очень высокая), если для лесов среднего качества плотность лося должна составлять 3 – 5 особей на каждые 1000 га. Будет ли разрешена в этом хозяйстве охота на лося? Ответ поясните.

Задание 6. В зоне южной тайги Урала обитают популяции полевой мыши (Apodemus agaricus). В популяциях отмечаются пять генераций. Особи первой и второй генерации – это появляющийся в мае и июне приплод перезимовавших особей. Третья генерация появляется в июле от особей первой генерации. Четвертая состоит полностью из потомков особей, родившихся в этом году и зависит от численности первой и второй генерации. Пятая генерация появляется в конце августа – начале сентября и состоит из потомков второй, третьей и четвертой генерации, достигших половой зрелости. Эта генерация дает потомство только весной будущего года и является основой нового цикла размножения популяции. Особи летних генераций не переживают зиму и погибают в течение лета. К ноябрю особи этих генераций практически отсутствуют в популяции. Взрослые особи, пережившие зиму, дают не более двух пометов и погибают к началу августа. Пользуясь данными таблицы 11 по численности популяции полевой мыши по месяцам года в течение двух сезонов, постройте графики динамики численности. Чем можно объяснить существенное отличие в численности популяции в разные сезоны? На какие месяцы приходится подъем численности? Как изменится график, если в популяции в апреле появится еще одна генерация? Каков будет график, если это произойдет в октябре? Ответ поясните.

Таблица 11 –  Динамика численности популяции полевой  мыши (Козлов и др., 2006)

Контрольные вопросы

1.               Что такое гомеостаз популяции?

2.                Где в реальных условиях можно встретить проявление стресс-реакции млекопитающих? Самоизреживание у растений?

3.                В чем преимущества разных типов жизненных стратегий?