Динамические характеристики популяций
Плотность популяции регулируется четырьмя параметрами: рождаемостью – числом особей, родившихся за определенный промежуток времени; смертностью – числом особей, умерших за ту же единицу времени; скоростью иммиграции особей – числом особей, появившихся в данной популяции, из других популяций; скоростью эмиграции особей – числом особей, покинувших данную популяцию за единицу времени.
В растущих популяциях с высокой рождаемостью преобладают молодые, еще не репродуктивные особи, в стабильных – обычно это разновозрастные, полночленные популяции, у которых регулярно определенное число особей переходит из младших возрастных групп в старшие, рождаемость равна убыванию населения. В сокращающихся популяциях основу составляют старые особи, возобновление в них отсутствует или совсем незначительно.
Кривые выживания. На основе таблиц выживания строят кривые выживания. Р. Перль предложил различать три типа таких кривых.
Кривая I типа (сильно выпуклая) соответствует ситуации, когда смертность ничтожно мала в молодом и среднем возрасте, но в старом возрасте быстро увеличивается и все особи погибают за короткий срок. Перль назвал эту кривую «кривой дрозофилы». К кривой этого типа приближается кривая выживания человека в развитых странах.
Кривая II типа (диагональная) представляет ситуацию, когда во всех возрастных классах смертность особей одинакова. Такова динамика популяций многих рыб, пресмыкающихся, птиц, многолетних травянистых растений.
|
|
|
Кривая III типа (сильно вогнутая) выражает другой случай – массовую гибель особей в начальный период жизни, а затем низкую смертность выживших особей. Эту кривую Перль назвал «типом устрицы». Ей соответствует и возрастная динамика большинства видов деревьев: высока смертность всходов и молодых растений, однако с возрастом интенсивность самоизреживания резко снижается, и постепенно древостой достигает «конечной плотности», которая отражает особенности биологии вида и условий среды. Она тем ниже, чем благоприятнее условия (выше бонитет насаждений).
Следует заметить, что феномен самоизреживания вследствие конкуренции особей внутри популяции и выживания наиболее сильных характерен только для растений. Как подчеркивают М. Бигон и др. (1989), у животных процесс самоизреживания не происходит, и уменьшение плотности популяций имеет более сложную природу.
Модели роста.Экологи различают несколько моделей роста популяций (т.е. закономерностей изменения численности популяции при ее росте «от нуля»), главные из них - экспоненциальная и логистическая.
Способность популяций к экспоненциальному росту считается главным законом экологии, близким по значению к закону Ньютона в физике (П.В. Турчин).
Модель экспоненциального роста (число особей в популяции увеличивается в геометрической прогрессии.) описывается J-образной кривой, в условиях постоянного поступления ресурсов скорость роста популяции увеличивается и кривая взмывает вверх. Модель может быть описана уравнением: Nt = No е rt,
|
|
|
в котором Nt - численность популяции через очередной промежуток времени (t), N o - исходная численность, е - основание натурального логарифма, r - коэффициент размножения (репродуктивный потенциал, разность относительной рождаемости и относительной смертности, т.е. число родившихся или умерших особей, отнесенное к числу особей популяции в начале промежутка времени t).
Чтобы рост популяции соответствовал этой модели, должно быть постоянным среднее количество потомков на одну особь (если r = 0, т.е. рождаемость равна смертности, то численность популяции не растет).
В зависимости от величины r увеличение численности особей может быть быстрым и достаточно медленным (1 пары слонов - через 750 лет 19 млн потомков; У бактерий, из одной бактериальной клетки через 36 часов может образоваться биомасса) В природе рост популяций в соответствии с J-образной кривой возможен лишь в сравнительно кратковременный период ее жизни при особо благоприятных условиях. Во всех других случаях реализация этой модели невозможна.
Логистическая модель роста популяций, описываемая S- образной кривой (медленный рост - быстрый рост - медленный рост). П.В. Турчин считает эту модель отражением закона «самоограничения роста любой популяции». Причины замедления роста популяции могут быть самыми различными: выедание ресурсов, влияние эффекта скученности (у грызунов при этом снижается интенсивность репродуктивного процесса), отравление местообитания прижизненными выделениями, выедание популяции хищниками, болезни и т.д.
Тем не менее, и эта кривая является идеализацией, так как крайне редко проявляется в природе. Очень часто после того, как рост популяции выйдет на плато (достигнет предела, соответствующего количеству ресурсов), происходит внезапное уменьшение ее численности, а потом популяция вновь быстро растет. Таким образом, ее динамика оказывается состоящей из повторяющихся логистических циклов.
|
|
|
r-стратегия – ею обладают быстро размножающиеся виды (r-виды); для нее характерен отбор на повышение скорости роста популяции в периоды низкой плотности. Она характерна для популяций в среде с резкими и непредсказуемыми изменениями условий или в эфемерных, т.е. существующих короткое время (пересыхающие лужи, заливные луга, временные водотоки)
|
|
|
K-стратегия – этой стратегией обладают виды с низкой скоростью размножения и высокой выживаемостью (К-виды); она определяет отбор на повышение выживаемости при высокой плотности популяции, приближающейся к предельной - все хищники, человек, реликтовые насекомые.
Антропогенное воздействие на популяции: Уничтожение местообитаний. Химическое загрязнение среды. Чрезмерная эксплуатация популяций. Влияние интенсивного выпаса. Влияние адвентивных видов.
Рациональное использование. МДУ - это величина допустимого изъятия особей из популяции при сохранении потенциала ее возобновления. МДУ для популяций лося составляет не боле 20% особей, для северного оленя - 40 %, а зайца - 30-50 %. МДУ при выпасе скота составляет половину урожайности травостоя. На основе МДУ выдаются лицензии на отстрел промысловых животных и лов рыбы, определяется величина лесосеки и т.д. При строгом соблюдении МДУ ресурсный потенциал видов не только не снижается, но даже растет.
Охрана популяций: Разведение видов под контролем человека.Животных разводят в зоопарках, растения - в ботанических садах. Существуют и специальные центры размножения редких видов. На многочисленных рыбозаводах разводят рыб редких видов, молодь которых выпускают в реки и озера. Сохранению видов способствует и деятельность любителей садоводов, содержателей аквариумов. "центры реабилитации" для оказания помощи раненым и больным животным..
Создание генных банков. В банках могут храниться как семена растений, культуры тканей или половые клетки (чаще сохраняют замороженную сперму), из которых можно получить животных или растения. Первые банки замороженных клеток исчезающих видов животных созданы в ряде научных центров мира Нужно охранять не только вид или популяции, а и среду обитания и экосистемы в целом.
Наблюдение за состоянием экосистем и их элементов - экологический мониторинг.
54. Производства, основанные на процессе брожения. Микроорганизмы, используемые в производстве.
Спиртовое брожение – микробиологический процесс превращения углеводов в спирт и углекислый газ. Вызывается аскомицетовыми дрожжами рода Saccharomyces, некоторыми бактериями и отдельными представителями мукоровых грибов.
Естественным местообитанием дрожжей является поверхность плодов и ягод, сок и поверхность листьев, нектар, вода, почва, кожные покровы и пищеварительный тракт людей и животных. Лежит в основе производства этилового спирта, саке (Aspergillus aryzae, S. cerevisiae var. sake), пива (S. cerevisiae var. carlsbergensis), вина (S. cerevisiae var. ellipsoides), используется в хлебопечении. Совместно с молочнокислым брожением оно используется при производстве кваса, кефира, кумыса. Основными потребителями этилового спирта являются пищевая и химическая промышленность, а также медицина
Молочнокислое брожение – процесс превращения углеводов молочнокислыми бактериями в молочную кислоту. 2 группы: гомоферментативные и гетероферментативные, которые, в свою очередь, вызывают гомоферментативное и гетероферментативное молочнокислое брожение. К гомоферментативным молочнокислым бактериям относятся молочнокислые стрептококки: Streptococcus lactis (масло), Streptococcus cremoris, Streptococcus thermophilus, а также молочнокислые палочки: Lactobacillus delbrueckii, Lactobacillus acidophilus (ацидофилин), Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus ptantarum, сыры (Lactococcus spp., Lactobacillus spp., P. roqueforti).
Гетероферментативное, побочные продукты: уксусная кислота, этиловый спирт, янтарная кислота, диоксид углерода, водород. К гетероферментативным молочнокислым бактериям относятся бактерии рода Streptococcus: St. diacetilactis, St. acetoinicus; бактерии рода Lactobacillus: Lactobacillus brevis, Lactobacillus helveticus, а также бактерии рода Leuconostoc: Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc cremoris. Молочнокислое брожение находит широкое применение при изготовлении кисломолочных продуктов, сливочного масла, маргарина, используется в хлебопечении, при квашении овощей, силосовании кормов и производстве молочной кислоты..
Пропионовокислое брожение. род Propionibacterium.
Единственным источником энергии для пропионовокислых бактерий является процесс сбраживания различных веществ: моносахаридов, молочной, яблочной кислот, глицерина и других в пропионовую и уксусную кислоту, диоксид углерода и воду.
Пропионовокислые бактерии – небольшие, неподвижные грамположительные палочки, не образующие спор, факультативные анаэробы. Обитают в основном в кишечном тракте жвачных животных и в молоке. Используется в сыроделии. Летучие кислоты (пропионовая и уксусная) придают сырам кисловато-острый вкус, а выделяющийся в виде пузырьков углекислый газ образует «глазки» в сыре. У пропионовокислых бактерий обнаружена способность к активному синтезу витамина В12, поэтому они используются в качестве продуцента в микробиологической промышленности для получения этого витамина.
Маслянокислое брожение – анаэробное окисление органических веществ маслянокислыми бактериями в масляную кислоту.
Маслянокислые бактерии относятся к роду Clostridium. Это крупные, подвижные Гр+ палочки, образующие устойчивые споры, при образовании которых клетка приобретает форму веретена или теннисной ракетки, облигатные (строгие) анаэробы. Могут сбраживать многие углеводы, в т.ч. (крахмал, гликоген, пектиновые вещества, целлюлозу), спирты (этиловый, маннит, глицерин) и аминокислоты. По характеру используемых субстратов маслянокислые бактерии делятся на две группы: сахаролитические клостридии, которые сбраживают в основном углеводы (Ctostridium butyricum), и протеопитические клостридии, которые разлагают белки и пептоны до аминокислот и затем их сбраживают (Clostridium sporogenes, Clostridium subterminalis, Clostridium perfringens, Clostridium botulinum).
Используется в промышленности для получения масляной кислоты (продуцент Clostridium butyricum). Эфиры масляной кислоты используют в кондитерской, безалкогольной, парфюмерной промышленности.
Уксуснокислое брожение – аэробное окисление углеводов и спирта уксуснокислыми бактериями в уксусную кислоту. Таким образом, это брожение относится к неполным окислениям или окислительным брожениям. Возбудителями уксуснокислого брожения являются уксуснокислые бактерии, относящиеся к двум родам: Gluconobacter и Acetobacter. Это короткие, подвижные Гр- палочки, не образующие спор. Обитают на цветах, зрелых фруктах, ягодах, овощах, в прокисших соках, пиве, вине, квашенных овощах. Используется в промышленности для получения натурального спиртового уксуса (продуцент Acetobacter aceti). Кроме того, производят также винный уксус (из вина) и яблочный уксус (из яблочного сока).
Учение В.И. Вернадского о биосфере. Понятие биосферы, ее состав и строение. Границы биосферы как глобальной экосистемы. Живые организмы как геологический фактор. Среды жизни в биосфере (литосфера, гидросфера и атмосфера).
В.И. Вернадский стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.
В.И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени.
«Биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.
Химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс - миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.
Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли - область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
Биосфера по вертикали разделяется на две четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фотобиосферу, в которой происходит фотосинтез, и нижнюю, «темную», - меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. На суше граница между ними проходит по поверхности Земли.
В.И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями.
Структура биосферы. Биосфера включает в себя:- аэробиосферу – нижняя часть атмосферы (до озонового экрана - 20-25 км);- гидробиосферу – всю гидросферу;
- литобиосферу – верхние горизонты литосферы.
Атмосфера – воздушная оболочка Земли. В вертикальном направлении атмосферу разделяют на несколько основных слоев: тропосфера (до 9-17 км.); стратосфера (до 50-55 км); мезосфера (до 80-85 км); термосфера (до 100 км).На высоте 15-20 км располагается озоновый слой, защищающий живые организмы от жесткого ультрафиолетового излучения. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ-радиации. Если живые организмы поднимаются выше 25-30 км, они погибают. Споры грибов и бактерий обнаруживают до высоты 20-22 км, но основная часть аэропланктонка сосредоточена в слое 1-1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни – около 6 км над уровнем моря.
Гидросфера – водная оболочка Земли, покрывает 2/3 поверхности планеты. Под гидросферой понимают основные воды на земной поверхности в жидком и твердом агрегатном состояниях. Более 40 % воды заключено в недрах литосферы, небольшая часть находится в атмосфере. В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10-11 км от поверхности. Фотобиосфера (до 200 м), где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие организмы и продуцируется первичная биологическая продукция. Афотическая зона (меланобиосфера, 200 м и больше), характеризуется темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных.
Литосфера – твердая оболочка Земли, сложенная горными породами и их производными вулканического происхождения, осадочными соединениями, продуктами выветривания. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5 -15 км превышает 1000 С. Наибольшая глубина, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бактерии, составляет 4 км. Достоверно установлено, что микрофлора обитает в донных осадках мощностью от 5 см (Черное море) до 10-12 м (Тихий и Индийский океаны) и 114 м (Каспийское море).
Нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер" - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли.
Жизнь наблюдается в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой природы.
На основе работ В.И. Вернадского и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы: 1.формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии; 2. биогеографические формы - территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны; 3. экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, что биотоп - это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп - это место обитания сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды.
Вещественный состав биосферы . В.И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей: живое вещество; биогенное вещество - рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т.д.); косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное); биокосное вещество - косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы); вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда); рассеянные атомы земного вещества и космических излучений; вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др.
В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (слева на право): слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»; педосфера, или почвенный покров; ландшафтно-экологические системы - функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;
кора выветривания, т.е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов; древняя биосфера (палеобиосфера) - комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности; многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т.д.; природные воды осадочной оболочки; миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы; минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т.д. Все они - главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.
Биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой - результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы - это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.
В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.
.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 547; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!