WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Шабанов Д. А., Кравченко М. А. Материалы для изучения курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека. 2009-5

Научный журнал

 

3.17. (дополнение) Биомы и человеческая культура

Особенности природной среды определяют характерные отношения с ним человеческого общества, а значит, и характерные особенности социума.

Человек сформировался как виде чрезвычайно пластичным поведением, способный занимать разнообразные экологические ниши (т.е. находится в разных отношениях со средой, выполнять разные роли). Эти роли требуют адекватной социальной организации.

Для примера можно рассмотреть историю Левобережной Лесостепи Украины, хотя бы потому, что в ней расположен Харьков и Харьковский университет, на основе курса экологии в котором написана эта книга. При существующем климате на территории лесостепи могут быть устойчивыми два типа экосистем. Лес требует большего количества воды, чем степь, но лесная почва эффективнее удерживает ее, чем степная. Там, где лес, воды достаточно для леса. Там где степь - для леса воды недостаточно, может быть только степь.


При изменении влажности или температуры климата происходит постепенное изменение границы леса и степи. Засушливый лес сменяется степью, увлажненная степь порастает лесом. Тем не менее, остается широкая полоса, где мозаично чередуются два типа экосистем. Околоводные участки, балки, низменности оказываются облесенными, а участки с песчаной почвой, хорошо прогреваемые склоны - остепненными.

И лес, и степь формируют характерные культуры и типы социума. В лесостепи они встречаются друг с другом.

В степи хорошие почвы, но часты засухи, и растениеводы будут сталкиваться с неустойчивостью урожая. Но степь- почти сплошное пастбище, где оптимально животноводство. Характерный способ жизни - кочевать по широкой степи со стадами. Жилища кочевников - раскладные шатры из шкур. Основа социума - семья с общей собственностью на скот. Семья кочует, взаимодействует с другими семьями и входит в большие племена, имеющие сложную структуру.

В лесу кочевать со стадами негде, но устойчивее урожай. Надо только поле расчистить. Вырубается лес, выжигаются остатки и в течение определенного времени поле сторицей вознаграждает усилия земледельца. Потом плодородие земли падает и нужно расчищать новый участок. Для такой культуры характерны основательные селения с постоянными жилищами из дерева. В окрестностях поселка расчищаются поля. Поддерживать поле может только община, крепко спаянная внутри, но слабо связанная с другими общинами. Единица нижнего уровня структуры может быть даже более крупной, чем у степняков, но ее связь с аналогичными единицами - слабее.

Разный образ жизни порождает массу различий, в частности, разный характер взаимодействия между людьми. Даже связанные общностью происхождения кочевники и земледельцы приобретут серьезные отличия и будут относиться друг к другу негативно. Отличия в морали приводят к острому осуждению противоположной стороны и к конфликту. Мораль каждого общества не распространяется на чужих.

Степняки мобильны. Их форма войны - набег. Собрались группой, быстро появились, ограбили и отступили. Оседлые жители не успеют собраться, и каждая община будет обороняться сама по себе. Почему любимое животное украинцев - свинья? Степняки исповедовали ислам, не ели свинину и не забирали свиней. Естественно, что степняки били лесных жителей и удерживали их внутри лесных массивов. Лесостепь была ничейной зоной, подверженной набегам кочевников. Для лесных жителей характерная форма войны - поход. При объявлении войны каждая община выставляла и обеспечивала сколько-то бойцов, которые отправлялись на ратное дело. Зачастую, пока рать шла к кочевникам, войско тех снималось с места и уходило. Великим подвигом являлось образование такого ополчения земледельцев, которое дошло бы до центра страны степняков и разгромило бы их столицу. В поселениях формировались группы ополчения (позже его назвали казаками), которое охраняло рубежи и собиралось по тревоге. Чтобы защитить основную часть своего народа от набегов, создавались форпосты - выстроенные в защитную линию укрепленные города.

А ведь когда-то лесостепь заселялась быстрее других зон - тут особо благоприятные условия. Первые высокоразвитые земледельческие культуры появились тут несколько тысяч лет назад. Трипольская культура (возрастом 6-7 тысяч лет) в значительной степени существовала в лесостепи. До того, во время ледникового периода, здесь была мамонтовая степь, в которой жили племена охотников на крупных животных. В 3-м веке на западе Харьковской области существовали крупные поселения готов (немецких племен), рабами у которых были славяне. К 12-му веку славяне в большой мере переняли образ жизни готов, но оказались легко порабощены степняками - татаромонголами.


96


Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


Глава 4. Популяционная экология



Тем не менее, оседлая культура оказалась более преемственной в цивилизационном плане. Разные народы и племена кочевников вели друг с другом жесткую войну и временами лидер менялся. Почему со временем оседлые культуры победили кочевников, которым раньше проигрывали? Потому что одна и та же площадь может прокормить больше растениеводов (по преимуществу консументов первого порядка), чем кочевников (консументов второго порядка). Продукцию растениеводства проще запасать, население более устойчиво. Эпидемии лучше распространяются среди мобильных и контактных степняков. Сила славян увеличивалась, и они начали осваивать лесостепь. Одна из важных границ проходила по Северскому Донцу. Чугуев, Змиев, Волчанск - опорные пункты на границе леса и степи. После устойчивого оттеснения кочевников к югу Слободская (потому что вначале - ничейная) Украина начиняет заселяться выходцами из разных регионов. Власть особо поощряет заселение южных районов казаками - это ограничивает возможности исторического противника. Окончательная победа над старым противником происходит в 18-м веке, даже в начале 19-го века. Последний форпостом культуры и государственности кочевников был Крым - он хорошо изолирован и защищен. Полный разгром его остатков произошел в середине XX века, во время сталинского выселения крымских татар из Крыма.

Конфликты между принципиально различными культурами продолжаются до сего дня. Так, Россия продолжает вести кровавые столкновения с горцами Кавказа. Это еще один тип культуры, которому нелегко навязывать чуждые для него ценности. В горах очень мало пригодных для жизни мест, население разбито на небольшие группы. Расселяться некуда, каждый роджестко обороняет свою собственность. Наступательная война в горах затруднена, оборона имеет существенное преимущество. Даже небольшой род на своей земле может оказать очень сильное сопротивление.

Условия оченьтяжелы, выжить можно только при сильной поддержке. Единица - род, сильно изолированный от любого другого. Связь с родом очень сильна. Смертность очень велика, идетжесткий индивидуальный отбор мужчин. Дожившие до старости пользуются большим уважением, олицетворяя род. Характер войны: затяжные конфликты с обороной своих территорий и героическими вылазками на территорию противника. Конфликты приобретают личную окраску и в случае смерти одной из сторон могут быть продолжены с родом - возникает кровная месть.

Равнинная Чечня была достаточно быстро замирена, а в ее горной части надолго сохранился очаг сопротивления. «Бандформирования», которые поддерживают сопротивление, опираются на традиции социума и поэтому все время имеют поддержку значительной части населения. Действуя преступным образом с точки зрения одной системы ценностей, они находятся в русле традиций сточки зрения другой системы. Сложно ожидать, что для Тамбовской области и горной Чечни будут адекватны одинаковые меры социальной структуры и способы управления. Одна из причин специфического характера власти в Чечне даже в советское время - проникновение родовой (в Чечне - тейповой) структуры во власть.

Итак, у кочевников открытых пространств основная единица - племя, лесных растениеводов - община, горцев - род. Можно ли говорить, чтотакая-то культура -хорошая, а такая-то - плохая? Нет. Характер культуры определяется теми факторами, которые лежат до морального выбора. Можно говорить о морали, когда есть выбор, где можно действовать по-разному (ударить или не ударить, украсть или не украсть). Если выбора нет или он предопределен историей, критерии «хорошо»-«плохо» не работают. Можно только говорить, что такие-то элементы данной культуры лучше (или хуже) соответствуют такой-то тенденции; что та или иная культура эффективнее способны развивать ту или иную сторону общественной жизни.


4.1. Популяции и их свойства

Как было сказано ранее (табл. 1.5.1), важнейшее свойство, возникающее на уровне популяций, —это их потенциальное бессмертие. Мы, люди, как и все населяющие вместе с нами Землю существа, принадлежим к популяциям, история которых тянется через всю историю жизни на нашей планете. Эти популяции изменялись, приспосабливаясь к меняющимся условиям, разделялись на части и иногда соединялись заново. Огромное количество таких ветвей отмерло, освобождая дорогу сохранившимся. Движение вспять по этому пути, от настоящего к прошлому, показало бы, как эволюционировавшие популяции становятся все более подобными и объединяются воедино, восходя к организмам, населявшим первые экосистемы на Земле.

Понятие «популяция» — одно из важнейших в биологии. Как это бывает с ключевыми терминами, оно часто используется в различных смыслах.

К определению понятия «популяция», по Трояну, возможны формальный, конкретный и теоретический подходы.

Формальный: «популяция — группа живых особей, выделяемых в рамках пространства и времени» (Р. Перл, 1937).

Конкретный — примерно то же самое, но в приложении к полю исследования.

Теоретический (генетически-эволюционный). Популяция, как репродуктивная общность. Совокупность особей одного вида, воспроизводящих себя на протяжении ряда поколений, занимающих определенное местообитание и относительно изолированная от других аналогичных совокупностей.

Говоря о популяциях, можно упомянуть также концепцию менделевской популяции —изолированной панмиктической (свободно скрещивающейся) группы.

Популяция - «минимальная самовоспроизводящаяся группа особей одного вида, на протяжении эволюционно длительного времени населяющая определенное пространство, образующая самостоятельную генетическую систему и формирующая собственное экологическое пространство» (А.В. Яблоков).

С точки зрения теории систем, основанием для выделения системы того или иного уровня должно служить наличие у нее свойств, отсутствующих на уровне ее разрозненных частей—эмергентных свойств. С этой точки зрения можно считать наиболее удачным для определения популяции подход, приведенный (но не разделяемый) А.В. Яблоковым: популяция—«пространственно единая группа особей одного вида, как целое реагирующая на действие различных факторов, форма существования вида в конкретных условиях». Следствием этого свойства популяции является сходство приспособлений составляющих ее особей. Среди объединяющих популяцию критериев можно назвать совместное существование индивидов, единообразие их приспособлений к среде, единство сезонных циклов и динамики численности, функциональное единство и генетическое своеобразие. Еще одна интересная особенность популяции как уровня организации биосистем — то, что она обладает собственной эволюционной судьбой.

«Несколько лет назад, весной, автор этих строк оказался во время нереста остромордых лягушек возле небольшого нерестового водоема - пруда среди


98


Глава 4. Популяционная экология


4.2. Характеристики популяций


99



заросших дубами холмов. Это были сумерки - «час меж волком и собакой». На мелководье собралось несколько тысяч самцов лягушек. В это время они преображаются благодаря ярко-голубой брачной окраске. Песня самца остромордой лягушки похожа на клокотание кипящей крупными пузырями воды. Многоголосый хор нескольких тысяч самцов сливался в невероятный гул. Этот объединенный голос тысяч особей разносился по окрестным холмам, созывая неторопливых, разбухших от икры самок...

Подходя к нерестовому котлу, самка находит себе самца и вместе с ним отметывает свою порцию икры. Те самки, которые прибывают позже других, вынуждены нереститься на сплошном поле из кладок. Часть ихикринококазывается оплодотворена молоками (спермой) не «своего» самца, а других-тех, что были отцами соседних кладок икры. Пройдет немного времени - и из икринок выйдут головастики, ферменты вылупления которых превратят в жидкость слизистые икряные оболочки. Даже если за время их развития уровень воды в весеннем пруду упадет, разжиженная икра стечет под уклон к отступившей воде. Ну и пусть десятки тысяч особей (а и головастик, и икринка - это особи!) обсохнут на окраинах пруда - сотни тысяч попадут в воду, где продолжат развиваться. По мере роста они будут обмениваться разнообразнымихимическими и физическими сигналами. При необходимости те из головастиков, которые опередят прочих, притормозят рост отстающих, чтобы снизить конкуренцию за недостающие ресурсы. В иных случаях, наоборот, рост разновозрастных и неродственных личинок окажется синхронизирован - популяция сама выберет стратегию своего оптимального развития.

Таквот, сумерки, пение ля гушеки усталость смести ли восприятие подошедшего к нерестовому котлу человека. Он почувствовал, что стоит не перед определенным числом организмов, а перед сущностью более высокого порядка - популяцией. Потенциально бессмертный живой объект находился на одном из ключевых этапов своего годичного цикла. Производство новых особей оправдает потери существующих, ведь только через их поток и смену и осуществляется бытие популяции. Казалось бы, человек не может быть замечен этой сущностью - он ведь находится на более низком уровне бытия, чем она. Тем не менее, когда завороженный человек подошел к одному из нерестовых котлов, поющие лягушки испугались, замолчали и торопливо попрятались на дне. Голос популяции изменился: она заметила чужака и отреагировала на его присутствие...

Вы скажете, такой опыт переживания контакта с сущностью более высокого порядка относится к сфере интересов психиатра, а не биолога? Вы, конечно, правы. Но, поверите ли, такой опыт очень помогает представить себе популяцию единым целым, а не совокупностью отдельных особей...» (Д.А. Шабанов, 2007).

Рассматривая, как особи определенного вида населяют какую-то территорию, зачастую можно увидеть, что существует целая иерархия уровней популяций, причем популяции более низкого уровня являются частями более крупных популяций. Например, в реки Дальнего Востока России заходят на нерест лососевые рыбы. Исследование их биохимических особенностей позволяет определить определенные маркеры, присущие нерестовым стадам, характерным для безымянных притоков горных речушек, где они мечут икру. Малек, выведшийся в этом месте, если ему повезет, вернется со временем на нерест именно сюда. Локальное нерестовое стадо является популяцией низкого уровня. Кроме того, можно убедиться, что особи, принадлежащие ко всем нерестовым стадам, размножающимся в какой-то реке, находятся в


более близком родстве друг с другом, чем рыбы из разных рек. Лососевые рыбы данного вида из бассейна одной реки образуют популяцию более высокого уровня.

Некоторые виды тихоокеанских лососей нерестятся и в азиатских реках, на территории России, и в американских, на территории Канады и США. Азиатские и американские стада таких рыб тоже являются популяциями. Наконец, популяцией самого высокого уровня является вид — вернитесь к генетико-эволюционному определению популяции, которое мы дали в начале данного параграфа, и убедитесь, что вид вполне ему соответствует.

Итак, в иерархии биосистем популяционному уровню организации может соответствовать несколько «этажей». Их количество зависит от особенностей популяционной биологии данных видов: характера их размножения, миграции и образования пар.

Для многих организмов, населяющих фрагментированную среду, характерно образование метапопуляции. Метапопуляция — длительно существующая совокупность субпопуляций, каждая из которых может существовать лишь недолгое время. Единство метапопуляции поддерживается обменом особями-мигрантами между субпопуляциями. Представьте себе долину, в которой возникают и исчезают временные водоемы. В каждом из таких водоемов в течение какого-то времени существует субпопуляция лягушек. С исчезновением водоема обитавшие в нем особи переходят в состав других групп. Хотя каждая из локальных групп существует лишь недолгий срок, объединяющая их метапопуляция способна существовать в течение неограниченного времени.

Если рассматриваемая популяционная система населяет определенный биогеоценоз (т.е. «экосистему в границах фитоценоза»), для ее обозначения можно использовать термин «ценопопуляция», особенно часто применяемый при изучении распространения растений. Если популяция состоит из групп особей, занимающих разные ниши (например, наземных взрослых особей и водных личинок и т.п.), к ее частям применимо введенное В.Н. Беклемишевым понятие «гемипопуляции».

4.2. Характеристики популяций

Популяции состоят из множества особей. Особенности их состава изучает демография (буквально — народоописание), наука, методы которой развивались в первую очередь при описании динамики численности и состава поселений человека. Демографические характеристики популяций можно разделить на две группы: статические и динамические. Статические характеристики популяций могут быть определены для конкретного момента времени; примером такой характеристики может быть численность популяции. Как бы быстро ни изменялась эта величина, в любой момент мы могли бы установить, сколько особей входит в состав той или иной популяции. К этой категории, кроме численности популяций, относится ее состав (соотношение в ней особей разного возраста и пола), плотность (отношение численности популяции к занимаемой ею площади или объему), характерное распределение особей в пространстве и некоторые другие параметры.

Численность популяции может определяться различными способами. Для определения поголовья крупных, хорошо заметных организмов, образующих


100

Глава 4. Популяционная экология

скопления на относительно небольших территориях, используют прямой подсчет. Так можно подсчитать колониально гнездящихся птиц (грачей, уток), копытных (северных оленей). В некоторых случаях эффективен способ мечения. При этом животных метят и выпускают туда же, где они были пойманы. Через некоторое время производят новый отлов в том же месте, и по доле меченых особей от общего числа отловленных особей определяют численность популяции. Так определяют численность земноводных, мелких птиц, мышевидных грызунов и многих других животных.

Но зачастую невозможно определить общую численность организмов прямым подсчетом особей. При этом приходится довольствоваться отбором проб и подсчетом количества особей в них. При этом речь идет о плотности — числе особей, приходящихся на единицу пространства. Плотность наземных организмов выражают на единицу площади, а популяций планктонных организмов—на единицу объема водной толщи. Иногда плотность оценивают как число встреч на маршруте. Так оценивают птиц по пению в весенний период, млекопитающих по следам в зимний период.

Другой статической характеристикой является пространственное распределение особей и их групп. Выделяют три основных типа пространственных распределений: случайное, регулярное и групповое. При случайном распределении нахождение каждой особи никак не зависит от расположения других особей. В природе оно встречается довольно редко.

Регулярное распределение наблюдается в том случае, когда между особями действуют силы отталкивания (например, для них характерна защита индивидуальной территории). В густом ельнике стволы отдельных деревьев удалены друг от друга на расстояние максимум двух крон, а одиноко стоящее дерево затеняет пространство вокруг ствола, предотвращая рост проростков и, соответственно, появление новых особей этого вида. Такое размещение часто встречается и в искусственно созданных экосистемах (парках, агро-системах).

При групповом (пятнистом, агрегированном) распределении вероятность нахождения пустых участков и участков с несколькими особями намного выше, чем при случайном распределении. Ярким его примером является расположение травянистых растений на болоте, когда они занимают возвышенные участки, образуя «пятнистые» скопления. Как и расположение отдельных особей, распределение групп может также быть случайным, регулярным или пятнистым.

Приведенным выше перечнем статические характеристики популяций не исчерпываются. Например, видам, для которых характерна внутрипопу-ляционная иерархия (порядок подчинения), важна иерархическая структура популяций — отражение статуса отдельных особей и их отношений друг с другом. А какие процессы приводят к изменению статических (т.е. вовсе не неизменяемых!) характеристик популяции? Рождаемость, смертность, миграции —динамические характеристики. Природа этих параметров такова, что они могут быть измерены только для определенного промежутка времени. Важнейшие динамические характеристики популяции могут быть объединены в следующую простую формулу:

Изменение численности = (рождаемость + иммиграция) - (смертность + эмиграция)


4.3. Демографические таблицы, пирамиды и кривые выживания    101

При рассмотрении изменения численности необходимо также учитывать продолжительность жизни особей рассматриваемой популяции. Для организмов каждого вида существует некая максимальная продолжительность жизни особей. Она чаще всего необходима как крайняя точка при построении кривых выживания и демографических таблиц. Таку бактерий она может составлять десятки минут, а у древесных растений —десятки столетий.

4.3. Демографические таблицы, пирамиды и кривые выживания

Как мы сказали, важнейшими статическими характеристиками популяции являются ее половой состав (соотношение особей разного пола) и возрастной состав (соотношение особей разного возраста). Эти параметры принято описывать с помощью демографических таблиц. Первая такая таблица была построена основателем демографии Джоном Грантом в XVII веке на основании данных о смертности жителей Лондона, которые церковные приходы собирали, чтобы вовремя обнаруживать начало эпидемий чумы.

Демографические таблицы удобны для наблюдения за динамикой рождаемости и смертности в разных возрастных и (или) половых группах. Одним из способов их построения (табл. 4.3.1) является наблюдение за судьбой определенной группы особей (когорты), рожденных за короткий промежуток времени, и регистрация возраста наступления смерти всех членов когорты.

Но чаще в демографии пользуются иным методом: определением смертности в разных возрастных группах в течение какого-то периода наблюдений (табл. 4.3.2). Зная численность отдельных групп, можно рассчитать смертность

Таблица 4.3.1 Демографическая таблица популяции морского желудя (Balanusglandula) — представителя усоногих ракообразных (Connell, 1970 по Гилярову, 1987)

Возраст, годы

Число живых особей в момент учета

Доля особей, доживших до начала возрастного интервала

Число особей, погибших в течение интервала

Смертность в интервале

Ожидаемая продолжительность жизни доживших особей, лет

0

142

1000

80

0,563

1,58

1

62

0,437

28

0,452

1,97

2

34

0,239

14

0,412

2,18

3

20

0,141

4,5

0,225

2,35

4

15,5*

0,109

4,5

0,290

1,89

5

11

0,077

4,5

0,409

1,45

6

6,5*

0,046

4,5

0,692

1,12

7

2

0,014

0

0,000

1,50

8

2

0,014

2

1,000

0,50

9

0

0,0

-

-

-

* В эти годы учет не проводился. Эти данные в таблице представляют средние значения оценок предыдущих и последующих годов.

для каждого возраста. Этот метод позволяет оценить смертность и выживаемость у видов с большой продолжительностью жизни, даже используя только статистические данные, относящиеся к небольшому промежутку времени.

На основании демографических таблиц строят демографические пирамиды. На вертикальной шкале откладывают возрастные интервалы, полевой стороне, в виде столбчатой диаграммы, —численность самцов, по правой —самок. При этом наглядным становится разница смертности в разных возрастных категориях и у разных полов.

Демографические пирамиды помогают зримо представить историю популяции. Рассмотрите такую пирамиду для населения России (рис. 4.3.1). Вы можете увидеть, например, как на ней отражается снижение рождаемости во время Великой Отечественной войны. «Эхо» этих событий проявилось даже через поколение и, в меньшей степени, через два. Количество людей, которые по своему возрасту являются детьми и внуками тех, кто появлялся

Таблица 4.3.2 Демографическая таблица женского населения Канады в 1980 г. (Krebs, 1985, по Гилярову, 1987)

Возрастная группа

Количество человек в каждой возрастной группе

Количество умерших в каждой возрастной группе

Смертность в расчете на 1000 человек

0-1

173 400

1651

9,52

1-4

685 900

340

0,5

5-9

876 600

218

0,25

10-14

980 300

234

0,24

15-19

1 164 100

568

0,49

20-24

1136 100

619

0,54

25-29

1029 300

578

0,56

30-34

933 000

662

0,71

35-39

739 200

818

1,11

40-44

627 000

1039

1,66

45-49

622 400

1664

2,67

50-54

615 100

2 574

4,18

55-59

596 000

3 878

6,51

60-64

481200

4 853

10,09

65-69

413 400

6 803

16,07

70-74

325 600

8 421

25,86

75-79

235 100

10 029

42,66

80-84

149 300

10 824

72,5

85 и более

119 200

18 085

151,7


1,5 млн

1,5 млн

0,5 млн

0,5 млн

Рис. 4.3.1. Демографическая пирамида населения России состоянием на 1996 год

на свет во время войны, оказывается меньше численности близких к ним возрастных групп.

Демографические таблицы дают материал для построения кривых выживания. Такой способ графического представления зависимости доли сохранившихся в живых особей от их возраста в

4.4. Экспоненциальный и логистический рост численности популяции

В1536 г. испанский аделантадо Педро де Мендоза, закладывая город Буэнос-Айрес, привез в аргентинские пампы 20 коров и 72 лошади. Спустя три года поселение было сожжено дотла индейцами, и испанцы его покинули. Лошади и коровы оказались предоставлены сами себе. Они размножились в пампах, и к 1700 г. численность популяции коров и популяции лошадей достигли миллиона голов каждая. Испанские мореплаватели XVI и XVII вв. систематически завозили на океанические острова коз, чтобы обеспечить себе пропитание на случай кораблекрушения. Один такой путешественник, Хуан Фернандес, завез пару коз на острова Тихого океана вблизи побережья Чили, - острова, которые затем были названы его именем. В1704 г., когда Александр Селкирк (послуживший Даниэлю Дефо прототипом Робинзона Крузо) был оставлен на этих островах капитаном его корабля, численность стада коз, которым дала начало эта пара, превышала 10 000, и стадо существует до сих пор (0. Солбриг, Д. Солбриг, 1982).

Прирост популяции пропорционален ее численности, и поэтому, если рост популяции не ограничивают никакие внешние факторы, популяция растет ускоренно. Опишем этот рост математически.

Прирост популяции пропорционален численности особей в ней, то есть ДЛ/-ЛУ, где N — численность популяции, а ДЛ/ — ее изменение за определенный период времени. Если этот период бесконечно мал, можно написать, что dN/dt=rN, где dN/dtизменение численности популяции (прирост), а г—репродуктивный потенциал, переменная, характеризующая способность популяции увеличивать свою численность. Приведенное уравнение называется экспоненциальной моделью роста численности популяции, (рис. 4.4.1).

Величину г называют иногда мальтузианским параметром. Английский священник Томас Мальтус был первым, кто обратил внимание на то, что численность населения растет в геометрической прогрессии. Именно знакомство с его работой подтолкнуло и Чарльза Дарвина, и Альфреда Уоллеса к догадке о том, что потомство любых организмов должно «прореживаться» естественным отбором.


dN»

= rN

dt

Рис.4.4.1. Экспоненциальный рост

NA

§««?»

Как легко понять, с ростом вре- N^ мени численность популяции растет все быстрее, и достаточно скоро устремляется к бесконечности. Естественно, никакое местообитание не выдержит существования популяции с бесконечной численностью. Тем не менее, существует целый ряд процессов популяционного роста, который в определенном временном промежутке может быть описан с помощью экспоненциальной модели. Речь идет о случаях нелимитированного роста, когда какая-то популяция заселяет среду с избытком свободного ресурса: коровы и лошади заселяют пампу, мучные хрущаки — элеватор с зерном, дрожжи—бутыль виноградного сока и т.д.

f

Рис. 4.4.2. Логистический рост

Естественно, экспоненциальный рост популяции не может быть вечным. Рано или поздно ресурс исчерпается, и рост популяции затормозится. Каким будет это торможение? Практическая экология знает самые разные варианты: и резкий взлет численности с последующим

вымиранием популяции, исчерпавшей свои ресурсы, и постепенное торможение прироста по мере приближения к определенному уровню. Проще всего описатьмедленноеторможение. Простейшая описывающая такую динамику модель называется логистической и предложена (для описания роста численности популяции человека) французским математиком Ферхюльстом еще в 1845 году. В 1925 году аналогичная закономерность была заново открыта американским экологом Р. Перлем, который предположил, что она носит всеобщий характер.

В логистической модели вводится переменная К — емкость среды, равновесная численность популяции, при которой она потребляет все имеющиеся ресурсы. Прирост в логистической модели описывается уравнением dN/dt=rN*(K-N)/K(рис. 4.4.2).

Пока N невелико, на прирост популяции основное влияние оказывает сомножитель rNи рост популяции ускоряется. Когда становится достаточно высоким, на численность популяции начинает оказывать основное влияние сомножитель (K-N)/Kи рост популяции начинает замедляться. Когда N=K, (K-N)/K=0 и рост численности популяции прекращается.

При всей своей простоте логистическое уравнение удовлетворительно описывает много наблюдаемых в природе случаев и до сих пор с успехом используется в математической экологии.


106

Глава 4. Популяционная экология

4.5. Модель Лотки-Вольтерра

В 1925 году известный итальянский математик Вито Вольтерра, беседуя за обедом со своим будущим зятем, ихтиологом по специальности, заинтересовался популяционной динамикой рыб. Например, он узнал, что снижение вылова рыбы во время первой мировой войны привело к увеличению доли хищной рыбы в уловах. Результатом осмысления таких фактов стали предложенные им модели для описания внутривидового взаимодействия.

«Системы, изученные Вольтерра, состоят из несколькихбиологических видов и запаса пищи, который используют некоторые из рассматриваемых видов. О компонентах системы формулируются следующие допущения.

  1. Пища либо имеется в неограниченном количестве, либо ее поступление с течением времени жестко регламентировано.
  2. Особи каждого вида отмирают так, что в единицу времени погибает постоянная доля существующих особей.
  3. Хищные виды поедают жертвы, причем в единицу времени количество съеденныхжертв всегда пропорционально вероятности встречи особей этих двух видов, т.е. произведению количества хищников на количество жертв.
  4. Если имеются пища в неограниченном количестве и несколько видов, которые способны ее потреблять, то доля пищи, потребляемая каждым видом в единицу времени, пропорциональна количеству особей этого вида, взятого с некоторым коэффициентом, зависящим от вида (модели межвидовой конкуренции).
  5. Если вид питается пищей, имеющейся в неограниченном количестве, прирост численности вида за единицу времени пропорционален численности вида.
  6. Если вид питается пищей, имеющейся в ограниченном количестве, то его размножение регулируется скоростью потребления пищи, т.е. за единицу времени прирост пропорционален количеству съеденной пищи.

Перечисленные гипотезы позволяют описывать сложные живые системы при помощи систем обыкновенных дифференциальных уравнений» (Г.Ю. Риз-ниченко, 1999).

По своей сути модели Вольтерра оказались близки к модели, которую Лотка предложил в 1925 году для описания кинетики цепных химических реакций (где продукт одной реакции служит субстратом для следующей).

В нашем учебнике мы изложим модель Лотки-Вольтерра в той ее форме, в которой она развивает логистическую модель. Рассмотрим, например, два вида, А и В, которые являются конкурентами и используют один и тот же ресурс. Опишем динамику этих видов с помощью логистических уравнений, но учтем в них как ограничения емкости среды, связанные с изъятием ресурсов особями своего вида, так и аналогичное воздействие со стороны особей чужого вида.

Что показывает сомножитель в правой части логистического уравнения: (К-Л/уК? Что по мере роста численности (Л/) для популяции остается доступной все меньшая часть емкости среды (К). Но если доступные ресурсы отнимают не только особи одного вида, но и особи вида-конкурента, этот эффект тоже можно учесть в модели, введя в уравнение для вида А элементы, описывающие влияние вида В. Но вид В находится в аналогичном положении — часть его ресурсов забирают особи вида А!

Поскольку виды отличаются друг от друга, количество ресурсов, изымаемых их особями, будет различным. Введем коэффициент р, показывающий,


4.6. Классификация отношений между популяциями        107

сколько особей вида В потребляет то же количество ресурсов, что и одна особь вида А. Аналогично введем коэффициент а, который покажет, сколько особей вида А потребляет такое же количество ресурсов, как и одна особь вида В. Тогда, обозначая подстрочными символами А и В значения соответствующих величин для двух видов, можно написать систему из двух взаимосвязанных уравнений.

dNA=rNKA-NA-\iNB

dtА   А       КА

JL = rNKb~Nb-^a

dt       в   в        Кв

Модель Лотки-Вольтерра сыграла исключительную роль в развитии математической экологии. Каклегко понять, на ее основе можно построить множество иных, более сложных моделей. Например, они могут описывать взаимосвязь не двух, а большего количества ресурсов. Параметр К для каждого из видов может быть неизменным, а может и меняться по какому-то закону (например, в зависимости от изменения погоды или смены времен года). Реакция одного вида на изменение численности другого может происходить с большей или меньшей задержкой и т.д. Приведенные здесь несложные уравнения — достаточно мощный инструмент для исследования естественных процессов!

4.6. Классификация отношений между популяциями

Хищничество, паразитизм, конкуренция... Отношения между биосистемами какого уровня описывают эти понятия? Обычно мы подразумеваем под ними взаимоотношения между организмами, хотя правильнее рассматривать их как взаимодействия между популяциями. Именно популяции —это потенциально бессмертные биосистемы, способные к эволюции. «Мышкующая» лисица поймала и съела полевку. Что это, случайность или проявление закономерного процесса? Если лисы постоянно едят полевок, такое взаимодействие представляет интерес для экологии. Единичное взаимодействие можно описать и на уровне организмов (хотя после того, как полевка была съедена, она перестала существовать как организм). Постоянную взаимосвязь можно представить как отношение между двумя популяциями. А может, это взаимодействие правильнее описывать на уровне видов? Скорее всего, нет —хотя бы потому, что на значительной части ареала лис нет тех или иных видов полевок; с ними взаимодействует не вид Лисица обыкновенная, а отдельные популяции этого вида.

Классифицировать отношения между популяциями непросто, они очень разнообразны и связаны массой переходов. Различные авторы используют разные классификации.

Классифицировать отношения между видами по влиянию, которое они оказывают друг на друга, предлагал, например, известный американский эколог Юджин Одум. Он выделялтри типа отношений популяций друг с другом:


108


Глава 4. Популяционная экология


4.6. Классификация отношений между популяциями


109



положительное влияние (+), отрицательное влияние (-) и отсутствие влияния (0). Однако корректно определить, что такое «положительное» или «отрицательное» влияние нелегко. Например, влияние популяции хищника на популяцию жертвы в каком-то смысле отрицательное, а в каком-то — положительное.

К примеру, одним из немногих видов животных, численность которых не контролируется хищниками, являются африканские слоны. Хотя зарегистрированы случаи убийства и поедания слонов львами, взрослый слон — настолько крупная добыча, что становится недоступной практически для любого хищника. Однако так было не всегда. В недавнем геологическом прошлом (когда в Африке обитало большее количество крупных растительноядных млекопитающих, в том числе, относящихся к отряду Хоботные) численность слонов регулировалась саблезубыми кошками. Позже эту роль взяли на себя коренные африканские племена охотников на слонов. Еще позже эту же функцию выполняли вооруженные огнестрельным оружием браконьеры. А в конце XX века слонов, наконец, взяли под охрану. Созданы крупные национальные парки, где слоны могут чувствовать себя в безопасности. Как ни удивительно, выяснилось, что работники таких национальных парков должны проводить периодические отстрелы слонов! Дело в том, что слоны так влияют на окружающую среду, что, размножившись выше определенного предела, способны уничтожать всю древесную растительность в саванне и редколесье, подрывая тем самым ресурсную базу собственного существования! Ограничивая численность слонов, хищники могли бы тем самым повысить устойчивость существования этого вида.

Так как ответить: положительное или отрицательное влияние в данном случае оказывает истребление хищниками (или отстрел)? В краткосрочной перспективе—отрицательное (гибель слонов), в долгосрочной —положительное (стабилизация их динамики). Именно для того, чтобы не запутаться в таких подходах, можно использовать формальный, но надежный способ разделения типов взаимодействия между популяциями, основанный на модели Лотки-Вольтерра: по тому, как изменится численность одной популяции в ответ на изменение численности другой.

Как вы помните, в приведенной в предыдущем пункте форме записи модели Лотки-Вольтерра коэффициенты аир описывают влияние особей одного вида на особей другого. В рассмотренном выше случае конкуренции мы вычитали из емкости среды для одного вида численность другого вида, умноженную на соответствующий коэффициент. Можно поставить перед коэффициентами знак«+», но считать, что они имеют положительный знак, когда возрастание численности одного вида приводит к возрастанию численности другого, и отрицательный, если за возрастанием численности одного вида следует снижение численности другого.

dNA

_ „   дг    К-А'

-na + Wb

dt dNB

- ГА^ А

-г N  Кв

-NB+aNA

dt

- гв1У/в

кв


Их смысл таков: как изменится (в ближайшей перспективе) численность одного вида в ответ на изменение численности другого. Положительный знак означает, что на возрастание численности одного вида второй вид ответит увеличением численности, а отрицательный — что ответит снижением. Нежелательно характеризовать эти отношения как «положительные» и «отрицательные» вообще, в долгосрочной перспективе. Например, на возрастание численности хищника жертва отвечает снижением своей численности. Тем не менее, в эволюционной перспективе жертва «заинтересована» в том, чтобы ее численность регулировали хищники, а не, предположим, недостаток ресурсов или паразиты.

На описанных основаниях можно выделить 6 основных форм взаимодействия между видами. Кроме того, некоторые из этих форм можно разделить на дополнительные, как это показано в табл. 4.6.1. Значение приведенных в этой таблице терминов будет подробнее разъяснено позже.

Несколько слов следует сказать о термине «симбиоз», который по своей этимологии означает «совместную жизнь». Разные авторы используют его в разных смыслах. Иногда им обозначают любое сожительство, иногда—только взаимовыгодное, иногда—лишь нерасторжимое. В данном курсе этот термин используется в соответствии со смыслом, показанным в табл. 4.6.1. Поскольку смысл этого термина может быть расплывчатым, возможно, лучшее решение состоит в том, чтобы вообще отказаться от его использования в его общей форме. Тем не менее, для взаимовыгодных отношений между организмами, один из которых является средой обитания для других, общепринятым является использование термина «эндосимбиоз»

Поскольку взаимодействия между особями и популяциями в естественных экосистемах бесконечно разнообразны, для их классифицирования можно

Таблица 4.6.1 Классификация отношений между популяциями и видами

 

Знак

Тип

взаимодействия

Подтип

а

Р

-

-

Конкуренция

эксплуатационная (без затрат энергии на взаимодействия)

интерференционная (с затратой энергии)

+

-

Эксплуатация

голофагия или истинное хищничество

мерофагия или пастбищное хищничество (питание частями)

паразитоидность

паразитизм

+

+

Симбиоз

протокооперация (факультативное, необязательное взаимодействие)

мутуализм (облигатное, неразрывное взаимодействие)

-

0

Аменсализм

+

0

Комменсализм

0

0

Нейтрализм


110


Глава 4. Популяционная экология


4.7. Мутуализм


111



использовать и иные подходы, каждый из которых обращает внимание на какой-то один аспект таких взаимодействий.

Прежде всего, взаимодействия следует разделить на прямые и опосредованные. Когда мышкующая лиса ловит полевок, взаимодействие популяций осуществляется благодаря взаимодействию особей. Это прямое взаимодействие между популяциями. Когда жуки скарабеи выкармливают личинок навозом копытных, прямого взаимодействия особей не происходит, но на жуков влияет производимый копытными ресурс. Это опосредованное через абиотическую среду взаимодействие между популяциями. Наконец, в результате размножения полевок охотничья активность лис может переключиться на них, что снизит уровень эксплуатации популяции зайцев. Это пример опосредованных через другие популяции (или косвенных) взаимодействий.

Мы не в состоянии учесть все последствия того или иного события и активности той или иной популяции. Как круги по воде, вызванные ее активностью изменения будут распространяться по всей экосистеме. Но, как и круги на воде, в большинстве случаев эти последствия будут становиться все менее и менее выраженными. Именно поэтому в курсах экологии чаще всего рассматриваются прямые и опосредованные через абиотическую среду взаимодействия. Для того, чтобы учитывать взаимодействия, опосредованные другими популяциями или цепочками таких популяций, адекватнее всего использовать математические модели.

Оригинальная классификация отношений между видами предложена российским зоологом В.М. Беклемишевым. Им выделялись топические связи (выражающиеся в изменении среды обитания; сфагнум закисляет почву и делает ее благоприятной для росянки), трофические связи (питание особей одного вида особями другого, а также их остатками и продуктами жизнедеятельности); фабрические связи (связанные с предоставлением среды или убежища; дятел делает дупла в сосне, а блохи живут в шерсти у собаки) и форические связи (перенос особями одних видов особей других).

4.7. Мутуализм

Исходя из определения мутуализма как взаимовыгодных отношений между популяциями, при которых они встречаются в естественных условиях только вместе, можно подумать, что речь идет о каком-то экзотическом явлении. Это далеко не так: например, развитая наземная жизнь существует лишь благодаря мутуалистическим отношением. Само заселение высшими растениями суши происходило благодаря их тесному взаимодействию с грибами. На остатках девонских растений найдены следы микоризы (этимология этого слова означает что-то наподобие «грибокорня»). Минеральное питание наземных растений — сложнейший процесс, и во многих случаях оно невозможно без грибов. При микоризе гифы грибов охватывают чехлом корни растений, проникают внутрь этих корней или даже внутрь отдельных клеток. Грибы обладают значительно более эффективным механизмом получения минеральных веществ, но ограничены недостатком органики. Растения передают часть синтезированной ими органики гифам гриба, получая от них необходимые соли.


В минеральном питании принимают участие и эндосимбиотические азотфиксаторы, наподобие бактерий Rhizobium. На корнях ряда растений (бобовых, ольхи и т.д.) формируются специальные губчатые разрастания, которые населяются бактериями, способными связывать атмосферный азот. Такой процесс приносит пользу не только самому растению, развивающему азотфиксирующие клубеньки, но и другим растениям, так как приводит к обогащению почвы азотом.

Итак, развитый наземный растительный покров — результат мутуализма растений с грибами и бактериями. Но и потребление растительной биомассы в существенной степени связано с процессами из этой категории. Все растительноядные млекопитающие в той или иной степени используют эндосим-биотическую микрофлору своих кишечников. В некоторых случаях бактерии, способные расщеплять целлюлозу и синтезировать незаменимые аминокислоты, селятся в заднем отделе кишечника. Чтобы пользоваться результатами их биохимической активности, таким млекопитающим, как например, грызунам и зайцеобразным, приходится поедать собственные экскременты. Однако наивысшего развития эндосимбиотические комплексы достигаютужвачных парнокопытных. Желудок этихживотных состоит из нескольких отделов, один из которых— рубец—является, по сути, микробиологическим ферментером — емкостью для выращивания микроорганизмов.

Микрофлора и микрофауна рубца жвачных весьма сложна и до конца не изучена. Ее существенными компонентами являются как простейшие (например, жгутиконосцы и инфузории), так и бактерии. Результатом работы этого многовидового комплекса является глубокая переработка целлюлозы.

Важным компонентом тропических лесов, обеспечивающим быстрое разрушение отмершей древесины и возвращение входивших в ее состав веществ обратно в круговорот, являются термиты. В кишечнике термитов также обитает сложный комплекс из бактерий и простейших, причем для его эффективной работы необходимо неоднократное поедание термитами экскрементов друг друга.

Естественно, мутуализм распространен не только на суше. Для водных экосистем чрезвычайно характерен мутуализм животных с различными эндосимбиотическими водорослями. Например, благодаря эндосимбионтам существуют и рифообразующие кораллы, и крупнейшие из моллюсков — тридакны.

Наконец, классическим примером мутуализма являются лишайники — лихенообразующие грибы. Эти организмы могут существовать только при условии тесного контакта грибных гиф с клетками цианобактерий или водорослей. Лихенообразующие грибы прошли путь эволюции от паразитирования на фотосинтетических организмах до настоящего мутуализма.

Какие организмы могут стать мутуалистическими? Обязательно существенно различающиеся. Если экологические ниши двух популяций сходны, то есть этим популяциям необходимы одинаковые ресурсы, между ними возникнет конкуренция. Условие, при котором может развиться мутуализм и про-токооперация, — различие ниш. Оптимальной является ситуация, при которой ресурсом для одних организмов являются отходы других, и наоборот.


112


Глава 4. Популяционная экология


4.9. Комменсализм


113



Чаще мутуализм развивается тогда, когда каждый член мутуалистической пары отдает напарнику менее ценный для себя ресурс, а получает более ценный.

4.8. Протокооперация

Как следует из приведенного выше (см. пункт 4.6) определения, протокооперация — это необязательные взаимовыгодные отношения между двумя популяциями. Связанные этими отношениями виды могут встречаться как вместе, так и порознь.

Вероятно, протокооперация распространена значительно шире, чем об этом принято думать. Эти отношения не заканчиваются классическим школьным примером «симбиоза» —раками-отшельниками, усаживающими на свои раковины актиний.

Зачастую грань между протокооперацией и мутуализмом провести весьма нелегко. К какой категории относится опыление насекомыми цветковых растений? Если наблюдается глубокая специализация между определенными видами, такие отношения надо классифицировать как мутуалистические. Если же одни и те же растения могут опыляться разными насекомыми, а те питаются пыльцой и нектаром разных видов цветковых и могут использовать иную пищу, следует говорить о протокооперации. Иногда наблюдаются промежуточные между этими двумя категориями отношения, когда один из видов может встречаться и без второго, а второй в своем распространении всецело зависит от первого.

Когда фитосоциолог (специалист по растительным сообществам) или зоогеограф изучают характерный видовой состав тех или иных экосистем, они регистрируют следствия протокооперации между многими видами, не регистрируя их непосредственные причины. То, что два вида чаще встречаются совместно, а не порознь, может быть следствием их сходных запросов ксреде, а может отражать существование между ними протокооперации.

Рассматриваемое нами отношение может быть связано непрерывным переходом не только с мутуализмом, но и с комменсализмом. В случае взаимовыгодных отношений, выгода, получаемая двумя видами, далеко не всегда является одинаковой. Если для одного из видов отношения становятся практически безразличными, их следует классифицировать как проявление комменсализма.

4.9. Комменсализм

Комменсализмом называются прямые или опосредованные через среду отношения между двумя популяциями, от которых одна —популяция комменсала—получает выгоду (увеличивает свою численность в ответ на увеличение численности партнера), а другая —популяция хозяина —индифферентна к этим отношениям и не зависит от численности комменсала. Из этого определения следует, что выгода, которую получает комменсал, не связана с какими-то специальными затратами со стороны хозяина, а является следствием его нормальной активности или жизнедеятельности. Зачастую комменсализм связан почти непрерывными переходами с протокооперацией (если хозяин


начинает получать выгоду от своего партнера) или с паразитизмом (если хозяин испытывает вред).

Рассмотрим примеры комменсализма, классифицировав их по четырем категориям.

Пища. Комменсал может питаться отмершими хозяевами или их частями, а также отходами их жизнедеятельности. Так, копрофаги питаются пометом более крупных животных, а некрофаги — их трупами. Отшелушивающиеся чешуйки кожи людей являются пищей для разнообразных клещей, живущих в домовой пыли. Песцы питаются объедками белых медведей, а рыбы-лоцманы —объедками акул.

Тщательное исследование отношений между комменсалом и хозяином часто показывает, что активность комменсала может иметь какое-то значение для хозяев. Копытные «заинтересованы» втом, чтобы поверхность почвы была покрыта не их экскрементами, а растениями, а клещи домовой пыли могут вызывать у людей аллергические реакции. Тем не менее, с определенной долей условности такие отношения считают комменсалистскими.

Убежище и защита. В норах сурков живут разнообразные жуки чернотелки, бабочки, жабы, мокрицы и многие другие животные. Воробьи вьют свои гнезда рядом с гнездами орлов и других крупных хищных птиц—те не подпустят к своим (а заодно и к воробьиным) кладкам ворон, которые разоряют гнезда. Рыбы морские уточки прячутся между иглами морских ежей. В примерах из этой весьма многочисленной категории комменсал получает от хозяина именно безопасное убежище.

Перемещение. Перемещаясь, животные способны переносить на себе самые разнообразные более мелкие организмы. К примеру, караси могут заселять изолированные водоемы благодаря тому, что их липкая икра способна прилипать к ногам и оперению уток и выдерживает обсыхание при перелете утки из водоема в водоем. Ложноскорпионы (мелкие представители замечательной группы паукообразных, некоторые из которых обитают, кроме прочего, в наших жилищах) используют для перемещения мух.Ложноскорпион подкрадывается к мухе, хватает ее за ногу своей клешней и вместе с ней перелетает в новое местообитание. Домовые мухи и прусаки, питающиеся нашей пищей, переносят на своих телах целый комплекс бактерий и грибов.

К этой же категории следует относить явление лоцманирования — сопровождения мелкими активноплавающими животными более крупных. Дело в том, что возле крупного тела, плывущего подводой, возникают турбулентности, облегчающее плавание более мелких тел. И рыбы (втом числе рыбы-лоцманы, давшие название этому явлению), сопровождающие акулу, и дельфины, плывущие рядом с быстроходным кораблем, используют этот эффект.

Широко известен феномен зоохории — переноса животными семян растений.

Иногда растения «заинтересовывают»животных, снабжая плоды мясистыми частями, съедобными для потенциальных переносчиков, а иногда просто используют животных, формируя цепкие или клейкие плоды и семена.

Зачастую индифферентность комменсалов для переносящих их хозяев условна, так как связана с некоторыми избыточными затратами на перемещение или очистку поверхности своего тела.


114


Глава 4. Популяционная экология


411. Хищничество


115



Измененное местообитание. Чаще всего отношения между видами, меняющими среду своего обитания, и теми, кто «пользуется» этими изменениями, не рассматривают в качестве примеров комменсализма, хотя могут быть отнесены кэтой категории. К примеру, все специализированные компоненты флоры и фауны коралловых рифов, за исключением тех, которые связаны с кораллами отношениями эксплуатации или конкуренции, являются комменсалами кораллов, а множество характерных видов дубрав — комменсалами дубов.

4.10. Разнообразие форм эксплуатации

...Лодейников прислушался. Надсадом Шел смутный шорох тысячи смертей. Природа, обернувшаяся адом, Свои дела вершила без затей. Жук ел траву, жука клевала птица, Хорек пил мозг из птичьей головы, И страхом перекошенные лица Ночных существ смотрели из травы. Природы вековечная давильня Соединяла смерть и бытие В один клубок, но мысль была бессильна Соединить два таинства ее...

Н.А.Заболоцкий

Понятие «хищник» кажется всем хорошо знакомым. Обыденное сознание считает «хищниками» представителей отряда Хищные из млекопитающих, отряда Соколообразные (или, иначе, Дневные хищные птицы) класса птиц да еще, наверное, акул и крокодилов. Тем страннее осознать, что с экологической точки зрения хищниками являются и охотящаяся на тлей божья коровка, и отфильтровывающая из воды водоросли дафния, и даже росянка, постепенно переваривающая севшего на ее лист комара. Для всех названных организмов характерно то, что они потребляют иные живые организмы и условием потребления этих организмов является лишение их жизни. Естественно, убийство зебры львом куда более драматичное и кровавое событие, чем «убийство» одноклеточных водорослей дафнией, но принципиальной грани между этими событиями нет.

Не отвергая иные классификации, в нашем курсе мы рассмотрим хищничество как часть более широкой категории отношений — эксплуатации — и выделим 4 формы эксплуатации: истинное хищничество (голофагия), пастбищное хищничество (мерофагия), паразитоидность и паразитизм.

Голофаги, истинные хищники, убивают жертву сразу, съедают за свою жизнь множество жертв (лев, божья коровка, дафния, кашалот, росянка).

Мерофаги, пастбищные хищники (корова, слепень, медицинская пиявка) обычно съедают только часть жертвы, нанося ей при этом определенный, но не обязательно смертельный ущерб. За свою жизнь мерофаги эксплуатируют многих жертв, с которыми не имеют особо тесных связей.

Паразиты (солитер, ВИЧ, омела белая, тля) тесно связаны со своим хозяином, забирают у него лишь часть его ресурсов и не обязательно причиняют смерть. Их связь с хозяином очень тесна; в типичном случае особь паразита всю свою жизнь связана с одним-единственным хозяином.

Паразитоиды, к которым относятся многие перепончатокрылые (наездники, роющие осы) и некоторые двукрылые, ведут свободный образ жизни, но откладывают свои яйца в жертву, на нее или около нее. Выходящие из яйца личинки поедают жертву заживо, а потом убивают ее: смерть жертвы неизбежна, но отсрочена. С учетом численности насекомых вообще и перепончатокрылых в частности, такая стратегия вовсе не является редкой.

Как вы можете увидеть, в этой классификации «размылись» привычные понятия «хищник» и «паразит». К числу пастбищных хищников мы отнесли и корову, и медицинскую пиявку. Однако кактолько мы отвлечемся от эмоциональных оценок и, например, попробуем моделироватьтакие отношения, мы сразуувидим, что отношения коровы и пиявки с ихжертвами весьма подобны. Мерофаги перемещаются в пространстве, находя своихжертв и отнимая у них часть их биомассы. Однако когда медицинская пиявка нападает не на пришедшую на водопой корову, а на головастика лягушки, она взаимодействуете ним как истинный хищник: убивает и поедает значительную часть его тела.

В обыденной трактовке понятие «паразиты» включает внутренних и внешних паразитов. В приведенном здесь смысле слова настоящими паразитами являются почти исключительно внутренние паразиты и лишь немногие из внешних. Например, вши тесно связаны со своими хозяевами и относительно редко переходят от одного к другому. И их жизни, и их размножение тесно связаны с телом хозяина. Поэтому вшей можно считать паразитами.

В отличие от вшей, блохи или постельные клопы размножаются не на теле хозяина, а в его «логове» и легко переходят от одного хозяина к другому. Для их питания важен поиск того хозяина, которым они будут питаться в очередной раз. Сказанное позволяет считать этих насекомых мерофагами, пастбищными хищниками.

Легко понять, что выделенные здесь категории эксплуататоров не являются резко отграниченными друг от друга и связаны переходами.

4.11. Хищничество

Важнейшей характеристикой хищников является то, насколько они специализированы на питании определенными видами жертв. Например, обыкновенная лисица—чрезвычайно пластичный хищник, жертвами которого могут быть самые разные мелкие и даже средние по размеру млекопитающие, птицы, пресмыкающиеся, амфибии, самые разнообразные беспозвоночные и немало различных растений. В зависимости оттого, какие виды пищи есть в ее местообитании, лисица может питаться и черепахами, и виноградом.

На противоположном полюсе высокоспециализированных хищников находятся, например, морские змеи из рода Микроцефалюс (буквально «мелкоголовые»). Голова и передняя часть туловища этой средней по размерам змеи очень узкие, «откалиброванные» по размерам норки донных морских угрей, которыми питаются эти змеи. Другим примером высокой специализации


116


Глава 4. Популяционная экология


4.11. Хищничество


117



могут быть коалы, древесные представители австралийских сумчатых. Они питаются только молодыми листьями эвкалиптов.

Итак, по степени специализированное™ хищников на питании определенными категориями жертв их можно разделить на генералистов, как лисица, и специалистов, какмикроцефалюсы. К этой классификации близко разделение хищников на монофагов (приспособленных к питанию одним видом жертв), олигофагов (ориентированных на несколько близких категорий жертв) и полифагов (способных питаться весьма разнообразными жертвами). Приведенные классификации не вполне идентичны, хотя, конечно, специализированные хищники обычно являются олиго- и монофагами, а генералисты — полифагами. Впрочем, бывает так, что какое-то достаточно узкое приспособление помогает освоить питание группой похожих по своих особенностям жертв. Например, гигантский муравьед высокоспециализирован на питании муравьями и термитами: его когти позволяют проламывать стенки термитников или добираться до муравьев, а длинный липкий язык, высовывающийся из вытянутой в трубку беззубой морды, дает возможность подхватывать и проглатывать одновременно сотни насекомых. Ничем другим, кроме муравьев и термитов, муравьед питаться не способен, но зато практически любой из достаточно многочисленных видов этих социальных насекомых может стать жертвой этого хищника-олигофага.

Специализированный хищник может быть более эффективным, чем неспециализированный, и это позволяет частично избегать конкуренции. С другой стороны, полифаги могут иметь более сбалансированную диету, легче находить корм, иметь более устойчивую популяционную численность.

Хищничество — один из важнейших механизмов передачи энергии от одних популяций к другим и является поэтому важным механизмом, делающим экосистему единым целым. Приведем некоторые примеры воздействия хищников на видовое разнообразие их жертв.

На литорали (прибрежных участках морского дна) в Новой Англии (США) чередуются участки, покрытые жесткими красными водорослями, относящимися к роду хондрус (Chondrus), а также участки, где преобладает мягкая зеленая водоросль энтероморфа (Enteromorpha). Исследователи решили выяснить, какие факторы определяют характер водорослей на том или ином участке берега — будет он поросшим хондрусом или энтероморфой. Выяснилось, что главным потребителем водорослей является брюхоногий моллюсклитторина (Littorina). Литторина предпочитает энтероморфу и избегает хондрусов. Если взрослых литторин пересадить на участки, поросшие энтероморфой, они выедают зеленые водоросли и освободившееся пространство заселяется красными водорослями. Если на участке с красными водорослями убрать литторин, то поверхность хондрусов обрастает энтероморфами, которые со временем захватывают такие территории. Итак, хондрус растет там, где есть литторины, а энтероморфа—там, где их нет. Но почему моллюски есть в одних местах и отсутствуют в других?

Личинка литторин ведет планктонный образ жизни. Плавающие личинка оседают на берегу повсюду—и в зарослях хондруса, и в зарослях энтеромор-фы. В заросляххондруса такие личинки нормально развиваются, а на участках с энтероморфой их быстро выедают крабы карцинусы (Carcinus).


Итак, красные водоросли растут там, где нет карцинусов, а зеленые—там, где они есть. Что же является причиной этого распределения? Почему крабы не обитают всюду?

Распространение крабов ограничивается выедающими их чайками. Чайки летают над всем побережьем, а крабы скрываются от них под густым покровом энтероморфы. Итак, там, где растет энтероморфа, крабы могут спрятаться от чаек и уничтожать моллюсков, которые привели бы к гибели энтероморфы... Видовое разнообразие прибрежных вод поддерживается на высоком уровне межвидовыми связями, основанными на хищничестве!

Вообще ситуация, при которой хищник препятствует снижению видового разнообразия своих жертв, достаточно типична. В степных заповедниках на территории бывшего СССР были вынуждены использовать умеренный выпас скота. Когда-то на степных территориях паслись стада копытных —диких лошадей тарпанов, диких ослов и южнее—даже джейранов и сайгаков. Поедая быстрорастущие растения, эти копытные не давали им вытеснить те виды, которые росли медленно. После того, как люди истребили стада диких копытных, они вывели в степи стада, табуны и отары домашних. А после того, как эти степи становились заповедными, вслед за прекращением выпаса скота в них начинали исчезать редкие виды трав. Исправить ситуацию помогает умеренный выпас домашнего скота — например, лошадей.

После того, как в 1964 г. на Британские острова был завезен миксома-тоз кроликов (вызываемое простейшими заболевание), численность этих растительноядных животных резко снизилась. Результатом исчезновения кроликов стало снижение видового разнообразия луговой растительности. Кролики неспециализированы почти как сенокосилки и выедают все луговые растения подряд. Тем самым они препятствует вытеснению более конкурентоспособными растениями более слабых и редких.

Обычно хищники-полифаги наиболее интенсивно используют самых многочисленных из своих потенциальных жертв, выравнивая при этом их относительную численность.

Вам приходилось когда-нибудь долго собирать грибы или ягоды или ловить рыбу на удочку? Вспомните, что вы видели после этого, закрыв глаза. Листву и ягоды, приподнятые грибами хвоинки или качающийся на волнах поплавок—в зависимости оттого, на что было нацелено ваше внимание. В зависимости от той деятельности, которой вы занимались, в вашей психике активизировалась определенная поисковая модель. В результате ее активизации вы быстрее и лучше замечали неприметную ягоду, гриб или поклевку рыбы. С другой стороны, если вы были сосредоточены на поиске ягод, вы могли «пропустить» гриб, к обнаружению которого вы не готовились. В данном случае вы имели дело с механизмом переключения, которое происходит как путем формирования ключевого образа, выделяющегося из фона в первую очередь, так и изменением поискового поведения.

Как ни отличается психика человека от психики других животных, переключение на тот или иной вид жертв играет важную роль в активности всех хищников-полифагов. Например, в экспериментах гуппи (аквариумных рыб) кормили дрозофилами (мухами, плавающими на поверхности) и трубочником (малощетинковыми червями, зарывающимися на дне). Рыбы поедали непропорционально большее количество преобладающего вида жертв, так как


118


Глава 4. Популяционная экология


4.11. Хищничество


119



искали свою добычу или у дна, или у поверхности —там, где было больше шансов найти корм. Мы не можем заключить, менялся ли образ искомой добычи в психике гуппи, но отчетливо регистрируем изменение ее пищедо-бывательного поведения.

Плотность жертвы

Рис. 4.11.1. Реакция хищника-полифага на изменение количества одного из видов его жертв

Важная характеристика хищника-полифага, способного переключаться с одной жертвы на другую, — его реакция на изменение относительной частоты жертв (рис. 4.11.1). Хищник с реакцией I типа избирательно потребляет определенный вид жертв, даже если они редки, и повышает их потребление с ростом их распространенности. Хищник с реакцией II типа потребляет жертв определенного вида пропорционально их численности, пока они редки, а после какого-то уровня стабилизирует их эксплуатацию (насыщается). Самой распространенной, однако, является реакция III типа (которую и демонстрировали в эксперименте гуппи): редкая жертва потребляется непропорционально мало, и хищник обращает на нее «внимание» только тогда, когда ее численность достигает определенного предела. Распространенность третьего типа реакций хищников-полифагов приводит ктому, что хищники выравнивают численность своих жертв, сильнее эксплуатируя более распространенные виды и давая «передышку» редким.

Многие особенности строения и образа жизни организмов объясняются их приспособлениями к защите от хищников или добыванию жертв. «Гонка вооружений» между хищниками и жертвами является одной из важных причин эволюции.

Например, растения, которые подверглись объеданию животными, производят новые листья с большим количеством защитных веществ: фенолов, вос-ков, танинов. При разжевывании гусеницей дубовых листьев содержащиеся в отдельных компартментах клеток танины (дубильные вещества) связывают белки и уменьшают их пищевую ценность. С другой стороны, если деревья и кустарники защитить от объедания растительноядными организмами, часть листьев может оказаться в условиях избыточного затенения другими листьями. В таких условиях дыхание в листьях преобладает над фотосинтезом: эти листья уменьшают, а не увеличивают продуктивность растения в целом. Удаление части листовой массы хищниками (растительноядными животными) лишь увеличивает продуктивность растения!

С другой стороны, если продуктивность растений будет оставаться постоянной, растительноядные животные могут сохраняться в таком количестве, что они смогут употреблять весь урожай. Для многих растений (например, кедровой сосны) зарегистрированы периодические колебания урожайности. В неурожайный год семян немного, и такой год ограничивает численность млекопитающих и птиц, питающихся семенами. Зато в урожайный год семян


будет столь много, что потребители просто не успеют съесть всю продукцию. За такой выигрыш растениям приходится серьезно «платить»: прирост колецу деревьев в урожайный год падает также, как и при полном объедании листьев гусеницами. Синхронизация урожайных и неурожайных лет между разными деревьями обеспечивается как климатически, так и за счет химического взаимодействия растений.

Приспособления растений и растительноядных животных друг к другу могут быть самыми тесными. Вот один из многих примеров. На острове Маврикий встречается дерево кальвария (Calvariamajor). Популяция этого растения находилась на грани уничтожения, так как в ней совсем не было молодыхдеревьев. Заинтересовавшиеся этим явлением биологи поняли, что возобновление кальварий прекратилось около 300 лет назад—тогда, когда на Маврикии были уничтожены дронты, — крупные нелетающие голубеобразные птицы. Было высказано предположение, что для нормального развития семян кальварий они должны были проходить через кишечный тракт дронтов. Для проверки этого предположения несколько семян кальварий скормили индейкам. Хотя несколько семян оказались раздавленными в желудках индеек, остальные прошли через кишечный тракт этих птиц неповрежденными и обрели всхожесть! Счастливая догадка помогла наладить искусственное восстановление популяции кальварий.

Долговременные реакции популяции жертвы на воздействия хищников не всегда отрицательны. Хищники могут уничтожать наименее ценных особей в популяции (больных, не имеющих индивидуального участка и т.д.), или же избежавшие гибели особи могут демонстрировать компенсирующие реакции. Если хищникэксплуатирует популяцию, страдающую от переуплотненности, его воздействие может повышать чистое пополнение или чистую продукцию.

В типичном случае популяции хищника стабилизируют численность популяций своих жертв. Когда жертв становится мало, хищники-полифаги переключаются на другие виды добычи, а хищники-олигофаги снижают свою численность вслед за жертвами в результате недокорма. Поскольку в большинстве случаев хищники размножаются медленнее своих жертв, восстановление их численности происходит медленнее, чем восстановление жертв. Таким образом, в типичном случае хищники просто не могут уничтожить своих жертв без остатка!

А в каком случае хищники могут истребить всех своих жертв? Человеку это удавалось неоднократно (как например, с уже упоминавшимися в этом пункте дронтами). До сих пор среди ученых не существует единого мнения о том, какую роль человек сыграл в вымирании мамонтов. Вероятно, исчезновение этого замечательного северного вида хоботных было связано с двумя группами причин: и потеплением климата, и охотой древних людей.

Потепление климата привело ктому, что тот тип экосистем, который населяли мамонты, —так называемая тундростепь или Мамонтова степь, —исчез, на севере преобразовавшись в тундру, а на юге —в настоящую степь. Между тундрой и степью вклинились тайга и широколиственные леса. Однако не исключено, что масштабность перестроек экосистем была связана не только с изменением климата, но и с уничтожением со стороны людей мамонтов и других сопутствовавших им видов крупных растительноядных животных,


120

Глава 4. Популяционная экология

питание которых поддерживало существование мамонтовой степи. А потенциальная возможность уничтожить мамонтов у человека была.

Полностью уничтожить определенный видсвоихжертв может тот хищник, численность которого мало зависит от численности этого вида жертв. Значит, этот хищник должен быть полифагом и не быть специализированным на данном виде жертв. Человек с его гибким пищевым поведением мог выживать и в условиях недостатка или отсутствия мамонтов. Опасности подвергаются те жертвы, которые даже в условиях низкой численности не теряют привлекательности для хищников и будут приоритетно и эффективно потребляться в пищу. И это свойство было характерно для пары видов «человек-мамонт»: даже когда мамонтов было мало, они могли оставаться для древних людей «главной» добычей, которая эффективно отслеживалась и добывалась в первую очередь. Сложное поведение давало людям возможность успешно охотиться на мамонтов даже в условиях их низкой численности. Наконец, скорость роста популяции людей превышала скорость роста популяции мамонтов.

Итак, не зная точно, сыграл человек в вымирании мамонтов роковую роль или нет, мы можем предположить, что он потенциально мог ее сыграть и наверняка усугубил кризис численности этих животных, наступивший в результате потепления климата.

«Кто непосредственно угрожает существованию вида -это не «пожиратель», а конкурент; именно он и только он. Когда в давние времена в Австралии появились динго-поначалу домашние собаки, завезённые туда людьми и одичавшие там, -они не истребили ни одного вида из тех, что служили добычей, зато под корень извели крупных сумчатых хищников, которые охотились на тех же животных, что и они. Местные хищники, сумчатый волк и сумчатый дьявол, были значительно сильнее динго, но в охотничьем искусстве эти древние, сравнительно глупые и медлительные звери уступали «современным» млекопитающим.

Динго настолько уменьшили поголовье добычи, что охотничьи методы их конкурентов больше «не окупались», так что теперь они обитают лишь на Тасмании, куда динго не добрались» (К. Лоренц, 2001).

Приведенные слова Лоренца нуждаются лишь в одном уточнении. Истребление охотниками их жертв можно сравнить именно с отношением хищничества (хотя мотивация охотников на тасманийских сумчатых волков соответствовала скорее логике интерференционной конкуренции). Фермеры, охотившиеся на тасманийских волков, смогли истребить этот удивительный видхищных сумчатых. До сих по Тасмании ходят легенды отом, что в каких-то труднодоступных участках острова какому-то счастливчику удалось встретить этого зверя, но, увы, скорее всего эти легенды отражают желания любителей дикой природы, а не суровую действительность.

4.12. Паразитизм

Настоящие паразиты (в том смысле, который пояснялся в пункте 4.11) весьма тесно связаны со своими хозяевами. Они живут внутри организма хозяев или тесно прикреплены к их поверхности. Хозяин является для паразитов средой обитания или ее важнейшим компонентом. Обычно на протяжении жизни (или этапа жизненного цикла) паразит связан с одним хозяином. Для того, чтобы использовать хозяина, паразиту вовсе не нужно


4.12. Паразитизм                         121

его убивать (иногда хозяин гибнет, но это не является необходимым условием его употребления).

Результатом того, что среда паразитов состоит из отдельных особей-хозяев, является наличие у паразитов специфических приспособлений для заражения новых хозяев. Для паразита хозяин подобен острову. Как перебраться с одного острова на другой? Одно из решений состоит в том, чтобы произвести и выбросить в среду множество потомков в надежде на то, что хотя бы некоторым из них повезет попасть «по назначению». Чтобы оценить, какое количество яиц производят паразиты, можно сравнить их с их свободно живущими родственниками. Так, самки почвенных круглых червей производят за свою жизнь несколько сотен или даже десятков яиц, а самки человеческой аскариды (внутрикишечного паразита) —50-60 миллионов!

Второе решение, позволяющее паразитам заселять новых хозяев, состоит в использовании каких-то других организмов для «прыжка» от хозяина к хозяину. Возникают сложные жизненные циклы, где половое размножение паразита происходит в окончательном хозяине, а промежуточные стадии, в том числе способные к бесполому или партеногенетическому размножению, обитают в промежуточных хозяевах.

Хозяин является для паразита не только источником энергии, но и средой. Следствием этого является то, что паразит испытывает намного более глубокую перестройку собственного строения, чем хищник. Такая перестройка может быть связана с серьезным упрощением одних систем органов и, наоборот, усовершенствованием других.

Рис. 4.12.1. Саккулина (Saccu//na), паразитическое усоногое ракообразное, в теле своего хозяина - краба. Мешкообразное тело паразита, лишенное конечностей, кишечника и даже следов характерной для членистоногих сегментации, находится под брюшком краба, а его выросты пронизывают все тело хозяина. Рисунок из книги Эрнста Геккеля «Красота форм в природе» (1904 г.)

Одним из ярких примеров упрощения строения паразитов может быть усоногий рак саккулина, дальний родственник морских желудей (рис. 4.12.1). Если бы не наличие характерной для усоногих ракообразных личиночной стадии, догадаться о систематической принадлежности взрослого животного по его строению было бы невозможно. Взрослая саккулина представляет собой бесформенный мешок с половыми продуктами, который висит под брюшком краба и получает необходимые питательные вещества с помощью корневидных выростов, пронизывающих все тело хозяина.

В большинстве случаев специализированные паразиты достаточно эффективно «взламывают» защитные системы своих хозяев. Это связано с разной эффективностью отбора: для


122


Глава 4. Популяционная экология


4.13. Конкуренция и экологическая ниша


123



Хозяин - домовая муха [Muscadomestica)

Паразитоид - оса

(Naconiavitropennis)

60     70

Время, недель

паразита побороть хозяина —вопрос жизни и смерти, а для хозяина—лишь экономии некоторых ресурсов. Можно сказать иначе: все предки любого паразита успешно взламывали защиты своих хозяев (иначе они не оставили бы потомство), а многие из предков любого хозяина кормили определенное количество паразитов. Результатом этого является то, что специализированные паразиты зачастую могут погубить своего хозяина. Однако такая стратегия невыгодна: уничтожив всех хозяев, паразит уничтожит и среду своего обитания. Эволюционно старые паразиты, хорошо приспособленные к своим хозяевам, обычно вызывают нетяжелые заболевания. Однако если паразиты совсем не будут эксплуатировать своих хозяев, они не смогут размножаться и заражать новые организмы. Оптимальная для паразита стратегия зачастую заключается в том, чтобы интенсивно использовать некоторых особей хозяина (слабых, старых, больных, а также представителей других видов, кроме тех, с которым тесно связан паразит), а остальных особей эксплуатировать слабо.

60     70

Время, недель

Рис. 4.12.2. Приспособление хозяина и паразитоида друг к другу. На графиках показана динамика численности двух видов двукрылых, выращивавшихся в экспериментальной установке из 30 соединенных друг с другом камер. А. Культуры хозяина и паразитоида ранее не контактировали друг с другом. Б. Культуры хозяина и паразитоида совместно выращивали в течение двух лет


Приспособлением для воплощения такой стратегии оказывается способность паразита находиться в двух фазах: активной и покоящейся. Переход к активной фазе может быть вызван, например, гормональными изменениями в организме хозяина (его длительным тяжелым стрессом).

Зачастую самые опасные паразиты —те, которые перешли к новому виду хозяев и не имеют приспособлений для сохранения его жизни. Так, самые опасные эпидемии человека вызываются чумой (бактерией, паразитирующей на грызунах), гриппом (вирусом, паразитирующем на птицах), ВИЧ (вирусом, пришедшим к человеку от других приматов) и многими другими «пришлыми» паразитами. Такие паразиты еще не успели в достаточной степени отточить приспособления, позволяющие эксплуатировать хозяина и сохранять его численность.

Очень показательные результаты получены в опытах, в которых совместно выращивали культуру домовых мух и эксплуатирующих их ос-паразитоидов (рис. 4.12.2). Если вместе ссаживали мух и ос, которые раньше не контактировали друг с другом, в экспериментальной установке наблюдались резкие скачки численности обоих видов. Если два взаимодействующих вида выращивались вместе на протяжение двухлет, ихчисленность оставалась достаточно стабильной. Такой результат отражает приспособление двух взаимодействующих популяций друг к другу.

 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.