Популяция как биологическая экосистема. Пространственные и временные характеристики популяций

Министерство  спорта, туризма и молодежной политики Российской Федерации. 

Федеральное государственное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования  «Волгоградской Государственной Академии Физической Культуры». 
 
 

                Реферат

                         По биологии

На тему: «Популяция как биологическая экосистема. Пространственные и временные характеристики популяций». 
 
 
 

                                                                                      Выполнила:

                                                                                      Студентка 108 гр.

                                                                                      Свистунова Е.В.

                                                                                      Проверила:

                                                                                      Рудаскова Е.С. 
 
 

                                             Волгоград 2011 

Содержание:

1. Систематика;
2. Вид;
3. Популяция;
4. Пространственные характеристики популяции;

    А.Пространственное распределение;

    Б.Численность популяции;

                   В.плотность популяции.

5. Временные характеристики популяции;

          А.Рождаемость;

          Б.Смертность;

          В.Рост популяции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Систематика – наука о классификации, т.е. группировка по сходству и родству. Основоположник систематики – К.Линней.

Таксон – основная систематическая категория.

Таксоны царства Растения:

Вид – род  – семейство – порядок –  класс – отдел – царство

Таксоны царства Животные:

Вид – род  – семейство – отряд – класс  – тип – царство

Вид – одна из основных форм организации живого, основная категория биологической классификации. Понятие «вид» ввел ботаник Д.Рей в 17 веке, обозначил вид (бинарная номенклатура) К.Линней, вид как этап эволюции – Ч.Дарвин.

Вид – совокупность особей, которая характеризуется:

• Происхождением от общего предка;
• Сходством морфологических, физиологических и биохимических признаков;
• Свободным скрещиванием и плодовитым потомством;
• Распространением на Земле в сходных экологических условиях.

Внутри ареала вид распадается на более мелкие единицы – популяции. Виды живут популяциями.

Популяция – структурная единица вида, надорганизменная форма организации живого, единица эволюции.

Популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Особенности популяции  как группового объединения, которые  не присущи каждой отдельно взятой особи, называются основными демографическими характеристиками, или свойствами популяции.

Они бывают  пространственными (статистическими) и временными  (динамическими).

1. К пространственным характеристикам относятся: общая численность, пространственное распределение, возрастной и половой составы популяции. Они характеризуют состояние популяции в какой-то определенный момент времени (t).

Занимаемое  популяцией пространство предоставляет  ей средство к жизни. Каждая территория или акватория может прокормить лишь определенное число особей. Однако полнота использования ресурсов зависит не только от общей численности  особей популяции, но и от их размещения в пространстве. Это хорошо видно  на примере растений, «жизненная территория»  которых не может быть меньше некоторой  предельной величины (злаки – 25–30 см2). Перехватывая корнями питательные вещества и воду, выделяя активные вещества, каждое растение распространяет свое влияние на определенную территорию, поэтому оптимальным для популяции является такой интервал между соседними особями, при котором они не влияют отрицательно друг на друга.

Равномерное упорядоченное распределение особей на занимаемой территории в природе  встречается редко. В каждом конкретном случае тип распределения в занимаемом пространстве оказывается приспособительным, т.е. позволяющим оптимально использовать имеющиеся ресурсы.

У подвижных  животных имеются разнообразные  способы упорядочивания распределения  в пространстве. Эти животные делятся  на две основные группы – оседлых  и кочевых. При оседлом существовании  животные в течение  всей или большей  части жизни используют довольно ограниченный участок среды. Этот образ  таит в себе угрозу быстрого истощения  ресурсов, поэтому у оседлых животных выработались приспособления, которые  обеспечивают разграничения мест обитания отдельных особей или других внутрипопуляционных  группировок.

У оседлых  видов пространственная структура  популяции может быть диффузной, мозаичной, пульсирующей или циклической.

В популяциях диффузного типа животные в пространстве распределены дисперсно, не образуя обособленных поселений. Этот тип структуры характерен для мелких млекопитающих открытых пространств (пустынь, степей).

Мозаичный тип  размещения возникает тогда, когда  пригодные для заселения места  распределены в пространстве резко  неравномерно (колонии кротов встречаются  на луговинах и опушках леса).

Пульсирующий  тип характерен для популяций  с резким колебанием численности. В  годы депрессий популяция состоит  из обособленных поселений, в годы подъема  – занимает всю пригодную территорию.

Циклический тип пространственной структуры  характерен для оседлых животных, попеременно использующих разные участки  в течение года (например, лемминги зимуют на сухих прибрежных возвышенностях, а летом переселяются на разнотравно-злаково-лишайниковые участки). 

Циклический тип освоения территории оседлыми животными  сходен с использованием ресурсов кочевыми популяциями. Наиболее заметно кочевничество  у тех млекопитающих, образ жизни  которых требует обширных пространств, - слонов, медведей, копытных и т.д.

Как видно, пространственная структура популяций очень динамична. Она подвержена сезонным и другим адаптивным перестройкам. Однако масштабы возможных изменений и тип  использования территории определяются биологическими особенностями вида.

А. Пространственное распределение организмов в популяции имеет свои особенности. Могут встречаться несколько типов пространственного распределения особей в популяции. Эти типы выражают реакции особей в популяции на различные влияния, например благоприятные физические условия или конкурентные реакции. Пространственная структура популяции может изменяться во времени: она зависит от сезона года, численности особей, возраста популяции и т. д.

1. Равномерное (регулярное) распределение наблюдается при сильной конкуренции особей, когда вероятность нахождения одной особи рядом с другой крайне мала. В природе встречается очень редко.

Например, у деревьев, у животных, которым свойственна  территориальность, и они «метят»  свою территорию; у хищных рыб, пластинчатожаберных моллюсков.

2. Случайное распределение— когда организмы расселяются в однородной среде. В этом случае сила и направление воздействия абиотических и биотических факторов случайно изменяются во времени и пространстве. Встречается не очень часто. Характерно для пауков, обитающих в лесной подстилке, майских жуков, тлей.

3. Групповое или пятнистое (конгрегационное) распределение — наиболее распространенный тип, характерный и для водных, и для наземных экосистем. Оно обусловлено прежде всего неоднородностью экологических условий среды. Например, косяки рыб, стаи водоплавающих птиц при перелетах.

Групповое размещение обеспечивает популяции более высокую  устойчивость по отношению к неблагоприятным  условиям, чем отдельной особи. Многие животные, ведущие подвижный образ  жизни, расселяются активно. Это  приводит к интенсивному смешению популяций  и стирает границы между ними. Например, очень подвижные песцы, некоторые птицы и другие животные имеют огромные ареалы без резких границ между популяциями. У малоподвижных  и пассивно перемещающихся организмов, наоборот, популяции четко разграничены даже на небольшой территории. Например, популяции многих земноводных, наземных моллюсков.

Размеры ареала популяции зависят от величины ее особей. Мелкие особи занимают сравнительно небольшие ареалы, а особи крупных  размеров живут на обширных территориях. Однако это правило имеет много  исключений. Известно, например, что  территория, занимаемая популяцией прыткой  ящерицы, может колебаться от 0,1 га до нескольких гектаров. 

Знание типа пространственного распределения  особей важно при оценке плотности популяции методом выборки.

Б. Численность популяции — это общее количество особей на данной территории или в данном объеме.

Численность никогда  не бывает постоянной и зависит от соотношения интенсивности размножения, смертности, миграции. В процессе размножения  происходит рост популяции, смертность же приводит к сокращению ее численности.

Изменение числа  особей в популяции во времени  называется динамикой численности.

Изучение динамики численности популяций имеет  важное значение для предсказания резкого роста числа вредителей или промысловых животных.

В природных  условиях изменение численности  популяций носит колебательный  характер. У некоторых популяций  колебания численности носят  правильный циклический характер.

Например, циклы  у саранчи. Сведения о нашествии  странствующей саранчи в Евразии  дошли до нас еще с глубокой древности. Саранча живет в пустынях и маловодных районах. На протяжении многих лет она не совершает миграций, не пожирает посевов, не привлекает к  себе внимания. Но со временем плотность  популяций саранчи достигает  огромных размеров и ряд насекомых  за счет гормональных изменений претерпевает метаморфоз. У них начинают развиваться  длинные крылья, они перелетают в  сельскохозяйственные районы, съедая все на своем пути. Вероятной причиной таких изменений является нестабильность факторов среды.

Иногда колебания  численности вызваны внутренними  факторами. Например, у ряда млекопитающих  из-за перенаселенности происходят резкие изменения физиологического состояния  на нейро-гуморальном уровне. Меняется их поведение, снижается устойчивость к заболеваниям и другим видам стресса. Повышается смертность и снижается плотность популяции. Например, зайцы-беляки в периоды пика численности внезапно погибают от «шоковой болезни».

Таким образом, факторы, влияющие на численность популяции, можно разделить на:

1) не зависящие от ее плотности (абиотические факторы);

2) зависящие от ее плотности (биотические факторы — конкуренция, хищничество, обеспеченность пищей, распространение инфекций и т. д.). 

Множество механизмов регуляции численности популяции  в природных условиях способствует тому, что в природных популяциях редко наблюдается катастрофический рост численности, подрыв ресурсов и гибель популяции.

Способность популяции  поддерживать оптимальную в данных условиях численность называется гомеостазом популяции.

В связи с  трудностью определения общей численности  популяции на практике определяют ее плотность.

В. Плотность популяции — это среднее число особей на единицу площади или объема занимаемого популяцией пространства. 

Оптимальная плотность — это такой уровень плотности, при котором совмещается рациональное использование территории и осуществление внутрипопуляционных функций. Поддержание оптимальной плотности — сложный процесс биологического регулирования, основанный на принципе обратной связи.

Примерами плотности  популяции могут быть 5 млн особей хлореллы на 1 м3 воды, 550 деревьев сосны обыкновенной на 1 га леса.

При возрастании  численности плотность популяции  не увеличивается только тогда, когда  возможно ее расселение, т. е. расширение ее ареала. Расселение продолжается до тех пор, пока популяция не встретится с какой-либо преградой.

II. Временные (динамические) характеристики популяции: рождаемость, смертность, скорость роста и кривая роста.

Данные показатели характеризуют процессы, протекающие  в популяции за некоторый промежуток времени (At). Динамические характеристики всегда строятся по конкретным изменениям, которые произошли в статических структурах. Поэтому классификация популяций по статическим структурам чрезвычайно важна.

Основными статическими показателями структуры популяций  являются численность и распределение  организмов в пространстве, а также  соотношение разнокачественных  особей. В популяции выделяют половые  и возрастные группы и соответственно различают половую и возрастную структуру популяций. Обе эти  характеристики иногда объединяют, говоря обобщенно о демографической  структуре популяции.

А. Рождаемость — число новых особей, появившихся за единицу времени в результате размножения.

Показатель  рождаемости — это число новых особей (также яиц, семян), родившихся (вылупившихся, отложенных) в популяции за определенный промежуток времени.

К факторам, влияющим на рождаемость можно  отнести:

а) количество организмов, способных в данный период времени к размножению, которое определяется половой и возрастной характеристиками популяции;

б) соотношение периода размножения к величине популяции;

в) состояние физических условий среды;

г) плотность популяции;

д) плодовитость особей.

Плодовитость  особей — это эволюционно сложившаяся способность животных приносить свойственный каждому виду приплод, компенсирующий в нормальных условиях естественную смертность.

Плодовитость  зависит от возраста, сезона года, степени  обеспеченности животных пищей, заботы о потомстве, вскармливания детенышей, обеспеченности яиц желтком в  цитоплазме, условий окружающей среды.

Рождаемость популяции  не может быть прямо пропорциональна  плодовитости. Например, взрослая самка  трески выметывает миллионы икринок, из которых в среднем доживают до взрослого состояния лишь 2 особи. Отсутствие заботы о потомстве у  рыб компенсируется очень большим числом откладываемых икринок.

Большая плодовитость вырабатывается в ходе эволюции как  способ компенсации численности  особей при высоком уровне смертности (у видов, менее приспособленных  к неблагоприятным условиям среды).

В благоприятных  условиях плодовитость обычно низкая. Например, самки калифорнийских кондоров откладывают только 1 или 2 яйца. Это  делает данный вид более уязвимым к вымиранию, чем такие виды, как  утки и куропатки, которые откладывают  и высиживают от 8 до 15 яиц одновременно.

Рождаемость видов  также зависит от того, сколько  раз в году самки проходят через  полный цикл размножения, и от продолжительности  беременности. Например, полевка с  периодом беременности всего лишь в 21 день может производить большое  количество детенышей. Африканский  слон имеет период беременности почти 2 года и не рожает более до тех  пор, пока его детеныш не станет достаточно взрослым. Таким образом, у слонов рождается всего 1 детеныш как минимум каждые 2,5 года.

Когда плотность  популяции, живущей на конкретной территории, падает ниже определенного уровня, у особей могут возникать трудности  в поиске партнеров и рождаемость  может упасть. И наоборот, если плотность  популяции становится слишком высокой  для достаточного обеспечения пищей, то это сказывается на здоровье репродуктивных особей. При перенаселенности и стрессовых условиях некоторые виды, крысы например, испытывают резкое падение рождаемости, даже если наблюдается избыток пищи. 

Все приспособительные  реакции организмов в природе  направлены на повышение вероятности  выживания и оставления потомства.

Б. Смертность— показатель, отражающий количество погибших в популяции особей за определенный отрезок времени.

Смертность в  популяции зависит в первую очередь  от генетической и физиологической  неполноценности особей. К другим факторам, влияющим на смертность, можно  отнести межвидовую и внутривидовую  конкуренцию за пищевые и другие ресурсы.

Смертность  может также повыситься:

■ из-за наличия  хищников, болезней и паразитов;

■ от стресса;

■ от перенаселенности;

■ из-за потери или ухудшения естественной среды  обитания в результате человеческой деятельности;

■ из-за природных  катаклизмов, таких как засухи, землетрясения, ураганы, пожары и наводнения.

На разных этапах онтогенеза эти причины действуют  на популяцию в разной степени, и  до естественной смерти доживает мало видов.

В основном смертность и возрастная структура в популяциях зависят от того, какие шансы для  выживания имеют особи в различных возрастных группах.

Выживаемость  — это число особей, сохранившееся в популяции за определенный промежуток времени.

Каждый организм характеризуется своей индивидуальной продолжительностью жизни, которая  может изменяться в некоторых пределах.

Чем больше смертность, тем меньше средняя продолжительность  жизни. Графики, характеризующие изменение  численности и предельный возраст  организмов в случаях различной  интенсивности смертности, называются кривыми выживания. Обычно при их построении по оси абсцисс откладывают  время или возраст, а по оси  ординат — число выживших особей.  

Кривые  выживания бывают трех типов:

1. Очень выпуклая кривая (рис. 9А) характерна для видов, у которых смертность в течение жизни остается низкой, а к концу жизни возрастает, когда увеличивается гибель взрослых, старых особей. Такие кривые характерны для крупных животных и человека.

2. К промежуточному типу (рис. 9Б) относят кривые выживания видов, у которых смертность мало изменяется с возрастом и остается более или менее постоянной в течение всей жизни (например, гидры, рептилии, птицы, мыши, кролики).

3. К третьему типу относят сильно вогнутые кривые (рис. 9В). Они получаются, когда смертность очень высока на ранних стадиях развития (в стадии семян — у растений, личинок — у рыб, устриц, двустворчатых моллюсков). Но как только особи подрастают, их смертность резко снижается. У многих рыб, например, до взрослого состояния доживает 1-2%  от числа выметанной икры, у насекомых — 0,3-0,5% от отложенных яиц. 

В. Рост популяции — это разница между рождаемостью и смертностью. Он может быть как положительным, так и отрицательным.

Темп  роста — это средний прирост за единицу времени.

Если через N  обозначить число особей в популяции, а через d — разность, тогда:

— коэффициент роста;

- коэффициент роста на одну особь. 

Если dN означает только рождение новых особей в данной популяции, тогда:

- коэффициент рождаемости (в определенный  момент времени). 

Если dN — это число погибших особей в данной популяции, тогда:

— коэффициент смертности.

Разница между  коэффициентами рождаемости и смертности называется  коэффициентом прироста изолированной популяции, в которой  нет миграций (за определенный промежуток времени):

Рост популяции  нужно знать для понимания  ее способности к восстановлению численности и для выяснения  некоторых свойств динамики популяций. Характер увеличения численности популяции  может быть различным. В связи  с этим выделяют два типа роста  популяций.

Кривая 1 (J-образная) отражает  экспоненциальный рост численности  популяции, который возможен, пока биотический  потенциал реализуется полностью, т. е. плотность популяции увеличивается  с возрастающей скоростью до тех  пор, пока не начинают действовать факторы, ограничивающие ее рост. Такая кривая хорошо показывает рост популяций некоторых  микроорганизмов, например дрожжей, одноклеточных  водорослей. 

Способность к  экспоненциальному росту свойственна  любой популяции. Но со временем всегда возникает нехватка природных ресурсов и происходят неблагоприятные изменения во внешней среде, тогда этот рост прекращается внезапно. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература:

1. http://abc.vvsu.ru/Books/ekologija/page0009.asp;
2. http://big-archive.ru/bio/general_ecology_and_meditsienskaya/12.php;
3. http://afonin-59-bio.narod.ru/2_heredity/2_heredity_lec/her_lec_11.htm;
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Популяция.