Реферат
на тему: «Организмы и их среда обитания. Экологическиениши и популяции»
СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ ОРГАНИЗМАМИ ИСРЕДОЙ ИХ ОБИТАНИЯ
Изменения физических условий в пространстве и во времени,воздействуя на организмы, способствуют возникновению разнообразных форм жизни.
Не следует думать, однако, что изменения облика и жизненныхфункций организма непосредственно следуют за изменениями внешних обстоятельств.Подлинная природа соответствия между организмом и средой сложнее: ее объяснениеможно дать лишь на основе законов эволюции, которые были сформулированыЧарлзом Дарвином в 1859 г. Наиболее важными положениями эволюционной теорииДарвина являются следующие:
1. Организмы изменчивы. Невозможно найти двух полностьютождественных кроликов, волков, ящериц или иных принадлежащих к одному видуживотных или растений.
2. Различия между организмами, хотя бы частично, передаютсяпо наследству.
3. Теоретически приблагоприятных условиях любые организмы могут размножиться настолько, что всостоянии заполнить Землю. Однако такого не случается, так как многие особипогибают, не успев произвести потомство.
4. Те организмы, которые располагают полезными свойствами,имеют большую вероятность выжить по сравнению с другими. Выжившие передают этисвойства своему потомству. Следовательно, эти свойства закрепляются в чередепоследующих поколений.
Условия среды могут оказаться более благоприятными для одногоорганизма, располагающего «подходящим» набором наследуемых свойств, и менееблагоприятными для другого, имеющего иные свойства. В первом случае индивидуумвыживает и оставляет больше потомков. Во втором случае он не выживает илиоставляет меньшее число потомков. В связи с этим наследственные свойства всейсовокупности особей меняются в ряду поколений. И здесь, как говорят, имеетместо эволюция путем естественного отбора.
Среди приспособлений организмов к условиям среды, возникших врезультате эволюции, наиболее наглядными можно считать приспособления,проявляющиеся в особенностях внешнего строения растений и животных. Их называютморфологическими (от греч. морфе — форма). Определенные типывнешнего строения, возникшие как приспособления к экологическим условиямместообитаний, называют жизненными формами организмов.
Жизненные формы растений и животных очень разнообразны. Онивыделяются по совокупности признаков строения и образа жизни. Так, наиболеераспространенные жизненные формы растений — деревья, кустарники, травы. Яркиепримеры адаптации к суровым условиям среды дают такие жизненные формы растений,как суккуленты (в засушливом климате), лианы (при недостатке света), стланики ирастения-подушки (в тундрах, высокогорьях с низкой температурой и сухостью присильных ветрах).
Жизненные формы животных выделяются по разным признакам дляразных систематических групп. Так, для зверей одним из основных признаковвыделения жизненных форм, помимо среды обитания, считают способы передвижения(ходьба, бег, прыжки, плавание, ползание). Характерными чертами внешнегостроения наземных прыгунов, например, являются длинные задние конечности ссильно развитой мускулатурой бедер, длинный хвост, короткая шея. К нимотносятся обычно обитатели открытых пространств: азиатские тушканчики,австралийские кенгуру, африканские прыгунчики и другие прыгающие млекопитающие,живущие на разных континентах.
Жизненные формы птиц различают по типу их местообитания испособу добывания пищи, а у рыб — в основном по форме тела. Жизненные формыводных организмов различаются по типу своего местообитания. Обитатели воднойтолщи образуют планктон (от греч. планктос — блуждающий), то естьсовокупность организмов, живущих во взвешенном состоянии и не способныхпротивостоять течениям. Обитатели грунта образуют бентос (от греч. бентос— глубина). К отдельным жизненным формам относят организмы, живущие уповерхностной пленки воды или на различных твердых субстратах.
Сходные жизненные формы возникли в результате эволюции,происходящей в сходных экологических условиях у систематически разныхорганизмов: например, кенгуру и тушканчики, дельфины и рыбы, птицы и летучиемыши, черви и змеи и т. д.
Важную роль в поддержании соответствия между организмами исредой играют не только морфологические особенности, но и физиологические иповеденческие реакции. Со временем любые экологические условия изменяются. Этиизменения могут иметь различный характер: быть циклическими, то естьповторяющимися через более или менее равные промежутки времени, или хаотическими,то есть неопределенными, труднопредсказуемыми. Строение организма и егоповедение могут соответствовать внешним условиям, только изменяясь вместе сними, приспосабливаясь к ним.
Смена времен года является периодически повторяющимся, илициклическим, изменением, так же как и поочередное наступление темного исветлого времени суток, прилива и отлива. Многократное воздействие циклическихизменений привело к возникновению характерных физиологических ритмов жизни,которые также являются и циклическими. Таковы, например, диапауза насекомых,ежегодное сбрасывание листвы листопадными деревьями, приливно-отливный ритмперемещения животных, обитающих в зоне прилива (например, крабов), сезонныйцикл изменения густоты меха у млекопитающих.
Различные организмыпо-разному реагируют на сезонные изменения климата. Мелкие млекопитающие,например полевки или лесные мыши, зимуют, впадая в спячку и прячась в укромныхместах. У других изменяется степень теплоизоляции тела. Так, у животных, обитающихв условиях суровой зимы, к наступлению холодов мех густеет, увеличивается егодлина. К сезонным изменениям можно отнести и перемещения, или миграции,организмов, наподобие ежегодных перелетов птиц, миграций северных оленей и т.д. Сезонные изменения в жизни растений проявляются в изменениях строениялистьев.
Пример разнонаправленных, случайных колебаний дают измененияклиматических факторов. Большинство организмов могут сравнительно легкопереносить колебания условий жизни, не выходящие за рамки привычных ислучающиеся в районах, которые давно освоены данным видом. Чрезвычайно суровыеусловия (очень холодные зимы, длительные засухи и т. п.) могут приводить кгибели части особей. В этих случаях в преимущественном положении оказываются тегруппы организмов, которые обладают более широкими границами распространения иболее высокой скоростью самовоспроизводства.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЮДЖЕТ И ТЕПЛОВОЙБАЛАНС ОРГАНИЗМА
Поддержание жизни любого организма требует затрат энергии инуждается в потреблении тепла, необходимого для осуществления основныхфизиологических и биохимических реакций.
Любая происходящая в организме работа нуждается в потребленииэнергии. Энергия расходуется на движение, рост, размножение, поддержание иныхвидов жизнедеятельности организма. Всю необходимую энергию организмы получаютизвне, в ограниченных количествах.
Энергетический бюджет — это соотношение между энергией, получаемой организмом затот или иной отрезок времени, ее расходом на поддержание различных процессовжизнедеятельности.
Энергетический бюджет тесно взаимосвязан с размерами тела иобразом жизни живого организма. Общее количество энергии, затрачиваемоеорганизмом в единицу времени для поддержания жизнедеятельности, возрастает сувеличением массы тела.
Затраты энергии на передвижение зависят от характера питания. Пищатравоядных животных (которые пасутся, объедая зеленую траву и ощипывая листья сдеревьев) обычно имеется в избытке. Поэтому такие животные, как правило, незанимают больших территорий. Хищники и такие травоядные, которые вынужденыискать свою пищу (например, питаться семенами и плодами), часто тратят многовремени и энергии на поиск, перемещаясь на большие расстояния.
Первую группу животных (травоядных) принято называть «жнецами»,а вторую группу (хищных и собирателей пищи) — «охотниками». «Жнецы»обычно используют пищу, имеющуюся в изобилии, а «охотники» специализированы надобывании более редкой пищи. «Охотники», как правило, активно охраняют занятыйими участок территории; такое свойство животных называют территориальностью.
Энергетическая стоимость движения зависит как от размера телаживотного, так и от характера самого движения. Передвижение по суше требуетнаибольших затрат. Полет характеризуется некоторой средней величинойэнергетических затрат. Плавание при хорошей обтекаемости тела и нейтральнойплавучести наиболее экономично.
Тепловой баланс организма — это соотношение между количеством получаемого иотдаваемого во внешнюю среду тепла за какой-либо период времени. В целомэти величины должны быть точно уравновешены; в противном случае организм будетлибо перегреваться, либо переохлаждаться. Тепловой баланс тесно связан сэнергетическим бюджетом. Поддержание теплового баланса организма,находящегося в условиях непостоянной среды, требует выработки разнообразных приспособленийи, конечно, затрат энергии.
Крайним случаем поддержания теплового баланса являетсястрогое соответствие между температурой организма и окружающей средой. Ведьсреднегодовая температура в любой точке земли остается постоянной. В этомслучае все необходимое тепло организм может получать только извне. Такиеорганизмы, получающие свое тепло из окружающей среды, называются эктотермными.
Другой крайний случай —поддержание абсолютно постоянной температуры тела при помощи физиологическихили поведенческих механизмов, которые способствуют рассеиванию лишнего тепла втеплые периоды и удержанию — в холодные. Организмы, производящие большую частьсобственного тепла за счет биохимических окислительных реакций, называются эндотермными.
Все растения и большая часть животных относятся к эктотермныморганизмам. Настоящие эндотермные организмы — только птицы и млекопитающие, нодаже среди них есть некоторые исключения.
Эндотермные животные могут активно регулировать температурутела, однако для поддержания постоянной температуры тела такому животномутребуется гораздо больше энергии.
Регулировать температуру могут не только эндотермные, но иэктотермные организмы, перемещаясь в зоны с подходящим температурным режимом. Вопределенных условиях подобный тип регулирования дает организмам даже некоторыепреимущества.
Конечно, эктотермные животные более чувствительны к случайнымизменениям внешней температуры. Даже при относительно небольших колебанияхтемпературы (при ее отклонении от зоны оптимума) активность таких животныхпадает. С другой стороны, их потребности в энергии минимальны, что дает в рядеслучаев немалые преимущества. Эндотермы более устойчивы к температурнымколебаниям, но расплачиваются за это большим расходом энергии и соответственноповышенной потребностью в источнике энергии — пище.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ НИША
Одно из центральных понятий экологии — «экологическаяниша». Это понятие сводит к общему показателю все, в чем нуждаютсяорганизмы, то есть все необходимые условия и потребные ресурсы, а также то,какую роль выполняет данный вид в биотическом сообществе. Экологическая нишапоказывает, как организмы приспособлены к условиям среды, как реагируют на них.
Даже если условия и ресурсы данного участка среды вполнеблагоприятны для организмов данного вида, его длительному существованию могутпрепятствовать особи других видов, например хищники, паразиты или конкуренты.Поэтому биотические взаимодействия также входят в понятие ниши.
Важно сознавать, что экологическая ниша не есть нечто такое,что можно увидеть. Экологическая ниша — отвлеченное понятие, сводящее к общемупоказателю все, в чем нуждаются организмы, то есть все необходимые условия ипотребные ресурсы в необходимых количествах.
Одно и то же местообитание может порождать множество ниш.Лесной массив, например, может предоставить экологические ниши мелким птицам,дубам, паукам, огромному множеству других растений и животных. Ниши видов,представленных в одном и том же местообитании, чаще всего различаются, причеминогда весьма заметно.
ЭКОЛОГИЯ ПОПУЛЯЦИЙ
Знания строения и свойств организмов весьма полезны дляпонимания процессов, происходящих в окружающей нас природе. Однако этих знанийнедостаточно для ответов на вопросы о том, с какой скоростью и как происходятизменения биологических видов, отчего численность некоторых животных илирастений снижается, а других — возрастает, как влияет хозяйственнаядеятельность человека на окружающую его природу и т. п.
Ответы на эти и другие вопросы нуждаются в более широкихзнаниях о свойствах не только отдельных организмов, но и их групп.
ПОПУЛЯЦИЯ И ЕЕ ОСНОВНЫЕХАРАКТЕРИСТИКИ
Популяцией называют группу особей одного вида, обладающихспособностью свободно скрещиваться и неограниченно долго поддерживать своесуществование в данном местообитании.
Устойчивое существованиеразличных видов животных и растений требует наличия определенных экологическихусловий и подходящих ресурсов. При перемещении организма из одной местности вдругую условия и ресурсы могут меняться, причем несогласованно. Некоторыефакторы могут меняться плавно (например, температура при продвижении с юга насевер), вовсе не меняться (например, содержание диоксида углерода в воздухе)или меняться вдруг, скачкообразно (как это, например, происходит с изменениямисостава и структуры почв).
Все это приводит к тому, что подходящие для видовместообитания формируются в пространстве как бы в виде отдельных островков.Виды «заселяют» эти островки своими популяциями. Следовательно, биологическиевиды существуют в форме популяций.
Границы между популяциями могут быть четкими у видов,заселяющих острова или водоемы, либо размытыми у видов, имеющих широкоегеографическое распространение и обитающих в наземно-воздушной среде.
Важнейшее свойство популяций — самовоспроизводство. Даженесмотря на пространственную разобщенность, популяции способны неограниченнодолго поддерживать свое существование в данном местообитании. Они являются устойчивымиво времени и пространстве группировками особей одного вида.
Популяции, обитающие на различных участках видового ареала(общей области распространения вида), не живут изолированно. Онивзаимодействуют с популяциями других видов, образуя вместе с ними биотическиесообщества — целостные системы еще более высокого уровня организации. Вкаждом сообществе какая-либо популяция играет отведенную ей роль, занимаяопределенную экологическую нишу и совместно с популяциями других видовобеспечивая его устойчивое функционирование.
Популяции обладают не только биологическими свойствамисоставляющих их организмов, но и собственными, которые присущи только группеособей в целом.
Составляющие популяцию организмы связаны друг с другомразличными взаимоотношениями: они совместно участвуют в размножении, могутконкурировать друг с другом за те или иные виды ресурсов, поедать друг другаили вместе обороняться от хищников. Внутренние взаимоотношения в популяцияхочень сложны. Поэтому реакции отдельных особей на изменения тех или иныхэкологических факторов и по-пуляционные реакции часто не совпадают. Гибельотдельных организмов (например, от хищников) может улучшить качественный составпопуляции, повысить ее способность к самоподдержанию численности (подробнее — вглаве 3).
Такие популяционные характеристики, как обилие, рождаемость,смертность, возрастной состав, называются демографическими показателями. Ихзнание очень важно для понимания законов, управляющих жизнью популяций, ипредугадывания происходящих в них постоянных изменений. Изучениедемографических показателей имеет большое практическое значение.
ПОПУЛЯЦИОННОЕ ОБИЛИЕ И ЕГО ПОКАЗАТЕЛИ
Наилучшим образом популяцию как группу организмовхарактеризует обилие. Мерой обилия может быть общая численность организмовв популяции или их общая биомасса. Однако измерение этих показателейприменительно ко многим животным связано с большими трудностями.
При оценке популяционного обилия наиболее часто используетсятакой показатель, как плотность, — это численность, или биомасса,особей, приходящаяся на единицу площади или объема жизненного пространства. Примерамиплотности популяции могут быть: 500 деревьев на 1 га леса; 5 млн экз. хлореллы на 1 м воды; 200 кг рыбы на 1 га поверхности водоема.
Мерой обилия могут также являться и показатели, отнесенные нек единице пространства, а к единице времени, например, число птиц, отмеченных втечение часа, или число рыб, выловленных за сутки. По сути, эти показателиотличаются от плотности лишь размерностью. И те и другие являютсяотносительными показателями и называются индексами численности.
Плотности популяций, например, разных представителеймлекопитающих, могут различаться в десятки тысяч раз. В целом, чем болееудалена популяция от первичного источника органической пищи, тем ниже ееплотность.
Рождаемостьи смертность
Рождаемость — это показатель, характеризующий скорость увеличениячисленности популяции в результате размножения, или просто скоростьразмножения. Как и любой показатель скорости, он имеет временнуюразмерность. Так, если среднемесячный приплод популяции полевки составляет 100особей, то месячная рождаемость также составит 100 особей в месяц, а летняя (за3 летних месяца) — 300 особей.
Таким образом,рождаемость — число новых особей (также яиц, семян), родившихся(вылупившихся, отложенных) популяцией за определенный промежуток времени.
Рождаемость можно выразить в относительных показателях,например, измерять ее числом народившихся за единицу времени особей, отнесенныхк общей численности популяции в начале сезона размножения. Если общаячисленность популяции полевок к началу лета составляла 1000 особей, тоотносительная, или удельная, рождаемость за 1 месяц составит 100/1000 = 0,1,или 10%, а за сезон — 300/1000 = 0,3, или 30%.
Удельные показатели полезны для сравнения между собойрождаемости в популяциях разной численности. Они более точно характеризуютинтенсивность процессов размножения организмов.
Когда жизнь популяции протекает в благоприятных условиях,рождаемость повышается, достигая максимума. Величина максимальнойрождаемости определяется лишь числом самок в популяции и их способностьюпроизводить определенное число детенышей в единицу времени (то естьфизиологической плодовитостью).
Обычно рождаемость ниже максимальной и соответствуетсложившимся экологическим условиям и называется экологической.
Экологическая рождаемость дает представление о скоростиразмножения популяции при фактически сложившихся условиях жизни. В общем, для видов, которые незаботятся о потомстве, характерна высокая потенциальная и низкая экологическаярождаемость. Например, взрослая самка трески выметывает миллионы икринок, изкоторых в среднем доживают до взрослого состояния лишь 2 особи.
Смертность — это показатель, характеризующий скорость процессаснижения численности популяции. Так, если прослеживать судьбу некоторой группыособей, родившихся в одно и то же время, легко обнаружить, что их численность втечение жизни непрерывно снижается в результате отмирания части особей.
Смертность организмов проявляется даже тогда, когда условияжизни вполне благоприятны. В этих случаях говорят о минимальной смертности, природакоторой связана с дефектами физиологического развития, приводящими к гибелиотдельных организмов. В конкретных экологических условиях смертность, какправило, выше минимального уровня, так как под влиянием внешних факторов(хищничества, отсутствия достаточного количества пищи, загрязненности среды идругих) создаются дополнительные причины гибели организмов.
У большинства организмов интенсивность смертности меняется втечение жизни. Обычно она высока на ранних стадиях развития, затем снижается ивновь возрастает к старости.
Как и рождаемость, смертность оказывает большое влияние начисленность популяции и изменение ее хода. При одной и той же рождаемости чемвыше смертность, тем ниже численность популяции, и наоборот. Кроме того, смертностьвлияет на продолжительность жизни организмов в популяции и тем самым на еевозрастной состав.
Обратимся к простому примеру и проследим за изменениемпродолжительности жизни группы особей общим числом 1000, появившихся на свет водно и то же время. Рассмотрим два случая: в первом смертность составляет 50% вгод, во втором — 70%. В первом случае изменения численности нашей группы помере увеличения возраста особей будут выражаться следующими величинами: 1-й год— 1000, 2-й — 1000 х (1 — 0,5) = 500, 3-й — 500 х (1 — 0,5) = 250, 4-й — 250 х(1 — 0,5) = 125 и т. д.
Если полученные по таблице данные представить графически,можно получить кривые выживания, характеризующие возрастные изменениячисленности рассматриваемой группы. Кривые выживания подразделяются на триобщих типа.
Сильно выпуклая криваяхарактерна для видов, у которых смертность резко повышается лишь к концу жизни,а до этого она остается низкой. Этот тип кривой характерен для многих видовкрупных животных и, конечно, для человека.
Другой тип — сильно вогнутая кривая. Она получается, еслисмертность очень высока на ранних стадиях жизни. Хорошей иллюстрацией этоготипа служат устрицы или другие двустворчатые моллюски, а также рыбы, дубы.Смертность очень велика у свободно плавающих личинок моллюсков и прорастающихжелудей, но как только особи хорошо приживаются на подходящем субстрате, ихсмертность резко снижается.
К промежуточному типу относятся кривые выживания таких видов,у которых смертность мало изменяется с возрастом и остается более или менееодинаковой в течение всей жизни данной группы.
Форма кривой выживания связана со степенью заботы о потомствеи другими способами защиты молоди. Так, кривые выживания пчел и дроздов(которые заботятся о потомстве) значительно менее вогнуты, чем у кузнечиков илисардин (которые не заботятся о потомстве). Отсутствие заботы о потомстве у рыбили других животных компенсируется значительно большим числом откладываемыхяиц.