26. Общебиологические закономерности: экология и взаимодействие организмов

На рисунке представлена первичная сукцессия.

Это можно определить по тому, что развитие сообщества начинается на почти безжизненном субстрате — голой горной породе, где сначала нет почвы. Затем постепенно появляются лишайники, мхи, травянистые растения, кустарники и деревья. То есть сообщество формируется «с нуля».

Именно лишайники первыми заселяют такой участок, потому что они очень неприхотливы:

1. могут жить на голых камнях и скалах;
2. не нуждаются в готовой почве;
3. переносят недостаток влаги и питательных веществ;
4. способны к фотосинтезу, так как содержат водоросль или цианобактерию в составе симбиоза.

Субстрат изменяется за счёт жизнедеятельности лишайников. Они выделяют органические кислоты, которые разрушают поверхность горной породы. Кроме того, отмершие части лишайников накапливаются, разлагаются и образуют первые органические вещества.

В результате постепенно формируется почва, в ней накапливаются минеральные и органические вещества, лучше удерживается вода. Это создаёт условия для заселения участка мхами, затем травами, кустарниками и деревьями.

Вывод: на рисунке показана первичная сукцессия, начинающаяся с заселения голой породы лишайниками; их деятельность приводит к разрушению породы и образованию почвы, что позволяет появиться более сложным растительным сообществам.

Цианобактерии играют важную роль в круговороте углерода, потому что они способны к фотосинтезу. Они поглощают углекислый газ из среды и синтезируют из него органические вещества. Так углерод из неорганической формы переходит в состав органических соединений, которые затем могут использоваться другими организмами.

В круговороте азота многие цианобактерии участвуют как азотфиксаторы. Они способны связывать атмосферный молекулярный азот и переводить его в соединения, доступные для живых организмов. После отмирания цианобактерий их органические вещества разлагаются, и азот поступает в почву, становясь доступным для растений и других организмов.

Цианобактерий можно отнести к функциональной группе продуцентов, так как они являются автотрофами и создают органические вещества из неорганических.

Дополнительно среди них можно выделить роль азотфиксирующих микроорганизмов, потому что они обогащают бедные арктические почвы соединениями азота.

Вывод: цианобактерии в арктических экосистемах фиксируют углерод в процессе фотосинтеза и участвуют в фиксации азота, поэтому относятся к продуцентам и играют важную роль в поддержании круговорота веществ.

На данном примере правило Бергмана можно сформулировать так: у близкородственных теплокровных животных, обитающих в более холодном климате, размеры тела обычно больше, чем у родственных форм, живущих в тёплом климате.

Поэтому императорский пингвин, живущий в холодной Антарктиде, значительно крупнее и тяжелее, чем галапагосский пингвин, обитающий в тёплых экваториальных широтах.

В основе правила Бергмана лежит физический принцип соотношения площади поверхности тела и его объёма. Чем крупнее тело, тем меньше площадь поверхности относительно объёма, поэтому животное медленнее теряет тепло. Чем меньше тело, тем больше относительная площадь поверхности, поэтому тепло отдаётся быстрее.

Преимущества таких размеров:

1. Императорскому пингвину крупное тело помогает уменьшить относительную теплоотдачу и сохранять тепло в условиях сильного холода Антарктиды.
2. Галапагосскому пингвину небольшое тело помогает быстрее отдавать избыток тепла и избегать перегрева в жарком экваториальном климате.

Вывод: крупные размеры императорского пингвина — приспособление к сохранению тепла, а малые размеры галапагосского пингвина — приспособление к эффективной теплоотдаче.

Между перечисленными организмами сложились разные типы биотических отношений.

1. Хищничество. Щука является хищником и может питаться карасями и окунями, особенно более мелкими особями.

Окунь также может быть хищником: взрослые окуни питаются мелкой рыбой, мальками карася и других рыб. Поэтому между окунем и карасём возможны отношения хищник — жертва, особенно на ранних стадиях жизни карася.

2. Конкуренция. Щука и крупный окунь могут конкурировать за сходную пищу — мелкую рыбу. Также молодь разных рыб может конкурировать за зоопланктон, мелких беспозвоночных и другие кормовые ресурсы.

То есть конкуренция возникает тогда, когда разные виды используют один и тот же ограниченный ресурс.

3. Паразитизм. У беззубки личинки называются глохидии. На раннем этапе развития они прикрепляются к жабрам или коже рыб и некоторое время паразитируют на них.

Поэтому между беззубкой и рыбами — карасём, окунем или щукой — на стадии личинки беззубки возникают отношения паразитизма: личинка получает питание и расселение, а рыба-хозяин испытывает вред.

4. Связь через расселение личинок. Для беззубки рыбы важны ещё и как переносчики личинок. Прикрепляясь к рыбам, глохидии распространяются по водоёму. Это повышает шансы беззубки на расселение.

Вывод: в этой экосистеме наблюдаются хищничество, конкуренция и паразитизм. Особенно важно учитывать жизненный цикл беззубки: взрослые особи живут на дне и фильтруют воду, а их личинки временно паразитируют на рыбах.

Кролики достигают большого прироста численности за короткий промежуток времени за счёт нескольких особенностей размножения:

1. Раннее половое созревание — молодые особи быстро становятся способными к размножению.
2. Высокая плодовитость — в одном помёте рождается много детёнышей.
3. Несколько помётов в год — самка может размножаться многократно за один сезон.
4. Короткая беременность — новые поколения появляются быстро.
5. Быстрое восстановление способности к размножению после родов.

Такая стратегия наиболее выгодна в переменчивых и нестабильных условиях среды.

Это объясняется тем, что в таких условиях смертность часто бывает высокой: из-за нехватки пищи, хищников, болезней, засух, холодов или других неблагоприятных факторов. При r-стратегии вид «компенсирует» большие потери высокой скоростью размножения. Даже если значительная часть потомства погибает, часть особей успевает выжить и дать новое поколение.

В стабильных условиях обычно выгоднее K-стратегия: медленное размножение, меньше потомков, но больше заботы о них и выше выживаемость.

Вывод: кролики как r-стратеги быстро увеличивают численность благодаря раннему созреванию, высокой плодовитости и частому размножению; такая стратегия особенно выгодна в нестабильной среде, где важно быстро восстанавливать численность после потерь.

Переход к земледелию и скотоводству привёл к сокращению природных экосистем, потому что человек начал активно преобразовывать природу под свои хозяйственные нужды. Для земледелия требовались поля, поэтому люди:

1. вырубали леса;
2. осушали болота;
3. распахивали степи и луга;
4. уничтожали естественную растительность;
5. заменяли природные сообщества агроценозами — полями, садами, пастбищами.

Для скотоводства также нужны были большие территории. Домашний скот выедал растительность, вытаптывал почву, изменял состав растительных сообществ. Из-за этого природные экосистемы нарушались, сокращались или полностью исчезали.

Это способствовало росту населения, потому что земледелие и скотоводство дали человеку более постоянный и предсказуемый источник пищи, чем охота и собирательство.

Люди стали получать больше продуктов:

• зерно, овощи, плоды;
• молоко, мясо, яйца;
• продукты, которые можно было запасать на длительное время.

Появление запасов пищи уменьшило зависимость человека от сезонных колебаний, повысило выживаемость детей и позволило большему числу людей жить на одной территории.

Вывод: природные экосистемы сокращались из-за превращения лесов, лугов и степей в поля и пастбища, а рост населения стал возможен благодаря стабильному производству и накоплению пищи.

Между берёзой и перечисленными организмами сложились разные типы биотических отношений.

1. Берёза и сосна — конкуренция. Берёза и сосна являются растениями одного сообщества, поэтому они конкурируют за одинаковые ресурсы:

1. свет;
2. воду;
3. минеральные вещества почвы;
4. пространство для корней и кроны.

Оба вида используют сходные ресурсы среды, поэтому между ними возникает межвидовая конкуренция.

2. Берёза и ястреб-перепелятник — комменсализм, или квартиранство. Ястреб-перепелятник может использовать берёзу как место для отдыха, наблюдения за добычей или гнездования.

При этом птица получает пользу, а берёза обычно не получает ни пользы, ни вреда. Поэтому такие отношения можно отнести к комменсализму, точнее к квартиранству.

3. Берёза и подберёзовик — мутуализм. Подберёзовик образует с корнями берёзы микоризу. Гриб получает от берёзы органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза. Берёза с помощью грибницы лучше поглощает из почвы воду и минеральные вещества.

Следовательно, оба организма получают пользу, поэтому это мутуализм, или взаимовыгодный симбиоз.

4. Берёза и трутовик — паразитизм. Трутовик может поселяться на живом дереве и разрушать его древесину. Гриб получает питательные вещества из тканей берёзы, а берёза при этом повреждается, ослабляется и может погибнуть.

Поэтому между берёзой и трутовиком складываются отношения паразитизма. Если трутовик развивается уже на мёртвой древесине, он выступает как разрушитель органических остатков, то есть сапротроф.

Вывод: берёза конкурирует с сосной, образует взаимовыгодный симбиоз с подберёзовиком, может служить местом обитания для ястреба-перепелятника и страдает от паразитизма трутовика.

Пшеничное поле — это агроценоз, то есть искусственная экосистема, созданная и поддерживаемая человеком. Естественный луг — это природная экосистема, которая существует без постоянного вмешательства человека. Основные различия:

1. Видовое разнообразие

На пшеничном поле обычно преобладает один культурный вид — пшеница, поэтому видовое разнообразие низкое.
На естественном лугу растёт много видов трав, цветковых растений, насекомых, почвенных организмов, поэтому биоразнообразие выше.

2. Устойчивость экосистемы

Пшеничное поле менее устойчиво: при появлении вредителей, засухе или отсутствии ухода урожай может резко снизиться.
Естественный луг более устойчив, потому что в нём много видов, сложные пищевые связи и лучше выражена саморегуляция.

3. Зависимость от человека

Пшеничное поле требует постоянного ухода: посева, вспашки, удобрения, полива, борьбы с сорняками и вредителями.
Естественный луг способен существовать самостоятельно без регулярного вмешательства человека.

4. Круговорот веществ

На поле часть органического вещества изымается человеком вместе с урожаем, поэтому круговорот веществ нарушается и требуется внесение удобрений.
На лугу большая часть органических остатков возвращается в почву, разлагается редуцентами, и круговорот веществ более замкнутый.

5. Пищевые цепи

В пшеничном поле пищевые цепи обычно короткие и простые из-за малого числа видов.
На лугу пищевые сети более сложные: разные растения служат пищей многим насекомым, травоядным животным, птицам и хищникам.

6. Действие естественного отбора

На пшеничном поле сильное влияние оказывает искусственный отбор, потому что человек выращивает нужные ему сорта пшеницы.
На естественном лугу главным образом действует естественный отбор.

Вывод: пшеничное поле отличается от естественного луга меньшим видовым разнообразием, меньшей устойчивостью, зависимостью от человека, нарушенным круговоротом веществ и более простыми пищевыми связями.

Продуценты — это автотрофные организмы, прежде всего зелёные растения, водоросли и цианобактерии. Они создают органические вещества из неорганических и являются основой большинства пищевых цепей.

Возможные последствия сокращения численности продуцентов:

1. Снижение первичной продукции биосферы
   Будет образовываться меньше органического вещества, то есть уменьшится количество пищи и энергии, доступной другим организмам.
2. Сокращение численности консументов
   Растительноядные животные будут испытывать нехватку пищи. Затем снизится численность хищников, потому что им тоже станет не хватать добычи.
3. Нарушение пищевых цепей и пищевых сетей
   Продуценты находятся на первом трофическом уровне. Если их становится меньше, нарушается передача энергии на все следующие уровни.
4. Уменьшение выделения кислорода
   Многие продуценты осуществляют фотосинтез и выделяют кислород. При их сокращении может уменьшиться поступление кислорода в атмосферу и водную среду.
5. Увеличение содержания углекислого газа
   Продуценты поглощают CO₂ в процессе фотосинтеза. Если их меньше, углекислый газ хуже связывается в органические вещества, что может усиливать парниковый эффект.
6. Снижение биоразнообразия
   Из-за нехватки пищи и мест обитания могут исчезать многие виды животных, грибов и микроорганизмов, связанные с растительными сообществами.
7. Нарушение круговорота веществ
   Продуценты включают углерод, азот, фосфор и другие элементы в органические соединения. При их сокращении нарушается нормальный круговорот веществ в экосистемах.

Вывод: сокращение численности продуцентов приводит к уменьшению органического вещества и кислорода, нарушению пищевых цепей, снижению численности консументов и общей устойчивости биосферы.

Перелётные птицы возвращаются весной в северные регионы, потому что там в период размножения складываются благоприятные условия для выведения потомства.

Абиотические факторы:

1. Увеличение длины светового дня
   В северных регионах весной и летом день становится очень длинным. Это даёт птицам больше времени для поиска пищи и кормления птенцов.
2. Повышение температуры весной и летом
   После зимы условия становятся достаточно тёплыми для гнездования и развития птенцов.
3. Появление подходящих мест для гнездования
   После схода снега становятся доступными берега водоёмов, луга, леса, тундровые участки и другие места для устройства гнёзд.

Биотические факторы:

4. Большое количество корма в период размножения
   Весной и летом резко увеличивается численность насекомых, других беспозвоночных, растений и семян. Это особенно важно для выкармливания птенцов.
5. Меньшая конкуренция за корм и места гнездования
   В северных регионах летом может быть меньше оседлых видов, чем в южных местах зимовки, поэтому перелётным птицам легче занять гнездовые участки.
6. Меньшее количество некоторых хищников и паразитов
   В ряде северных местообитаний меньше постоянных хищников, паразитов и возбудителей болезней, чем в тёплых южных регионах.
7. Снижение риска перенаселения на зимовках
   Если бы птицы оставались на юге для размножения, там усилилась бы конкуренция между множеством видов за пищу и гнездовые территории.

Вывод: птицы возвращаются на север не потому, что там всегда комфортнее, а потому что весной и летом северные регионы дают важные преимущества для размножения: длинный световой день, много корма, доступные места для гнездования и меньшую конкуренцию.