Лабораторная работа: популяция

     4. Почему пищевые сети редко  состоят более чем из 4 – 5

     трофических уровней? 

     Внутри  экосистемы  содержащие  энергию  органические   вещества

     создаются  автотрофными  организмами  и  служат  пищей   (источником

     вещества  и энергии)  для  гетеротрофов.  Типичный  пример   животное

     поедает растения. Это животное в свою  очередь  может  быть  съедено

     другим  животным, и таким путем  может  происходить  перенос  энергии

     через ряд  организмов  –  каждый  последующий  питается  предыдущим,

     поставляющим   ему   сырье    и    энергию.    Такая последовательность называется пищевой цепью, а  каждое  ее  звено  – трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают  автотрофы, или  так  называемые   первичные   продуценты.   Организмы   второго трофического уровня называются первичными консументами,  третьего  – вторичными консументами и  т.  д.  Обычно  бывает  четыре  или  пять трофических уровней и редко  больше шести.

     Первичными  продуцентами  являются  автотрофные   организмы,   в

     основном  зеленые растения.  Некоторые  прокариоты,  а  именно  сине-

     зеленые   водоросли   и   немногочисленные   виды   бактерий,   тоже

     фотосинтезируют, но их  вклад  относительно  невелик. 

     В водных экосистемах главными продуцентами являются водоросли  –

     часто  мелкие  одноклеточные  организмы,  составляющие  фитопланктон

     поверхностных слоев океанов и озер.

     Первичные консументы питаются первичными продуцентами, т. е. это

     травоядные  животные. На суше типичными травоядными  являются  многие

     насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие. Наиболее  важные  группы

     травоядных  млекопитающих –  это  грызуны  и  копытные.  К  последним

     относятся пастбищные животные,  такие,  как  лошади,  овцы,  крупный рогатый  скот, приспособленные к бегу на кончиках пальцев.

     В водных экосистемах (пресноводных и  морских)  травоядные  формы

     представлены  обычно моллюсками и мелкими ракообразными.  Жизнь в океанах  и  озерах практически  полностью  зависит  от  планктона,  так  как   с   него начинаются почти все пищевые цепи.

     Вторичные консументы питаются травоядными;  таким  образом,  это

     уже  плотоядные  животные,  так  же  как  и  третичные   консументы,

     поедающие консументов второго порядка.

     Консументы  второго и третьего порядка могут  быть хищниками и охотиться, схватывать и убивать  свою жертву, могут  питаться падалью  или  быть  паразитами.  В  последнем случае они по величине меньше своих хозяев. Пищевые  цепи  паразитов необычны по ряду  параметров.  В  типичных  пищевых  цепях  хищников плотоядные  животные  оказываются  крупнее   на   каждом   следующем трофическом уровне:

        Растительный материал (например, нектар) > муха > паук >

        > землеройка > сова

        Сок розового куста > тля > божья коровка > паук >  насекомоядная

     птица > хищная птица

        В  типичных  пищевых  цепях,  включающих  паразитов,   последние

     становятся  меньше по размерам на каждом следующем  уровне. 

      5. Как моделируются ситуации «конкуренция»  и 

     «сосуществование» в экосистеме? К каким выводам можно прейти,

     используя математические модели? 

     При сосуществовании или конкуренции  различные виды не питаются одной  и той же пищей, не поедают друг друга, размножаются в разных местах. Тогда уравнения для численности  записываются как:

       

     Ситуация  усложняется, если виды живут или  пытаются жить за счет одного и того же источника пищи или зависят  от одних и тех же жизненных  условий. Например, растения, извлекающие  фосфор из почвы. При этом одни закрывают  листьями другие, лишая их солнечного света, или птицы, которые строят гнезда в одних и тех же дуплах и т.п. Математически это соответствует  установлению генерации в лазере или автокаталитической реакции  между двумя группами молекул. Решение  показывает, что выживет только один тип, наиболее приспособленный. Это  выживание может быть достигнуто улучшением индивидуальных констант и  адаптацией. Если перекрываются источники  пищи N, M:

      ,

     где - скорости поступления пищи, а - убыль пищи за счет внутренних причин типа гниения. Рассматривая правые части уравнений («силы») в плоскости m, n, можно найти условия, при которых возможно сосуществование. Обобщение на случай многих видов и источников пищи производится аналогично. Поэтому понятно, какую важную роль играют экологические ниши для выживания видов и почему виды так приспособлены к ним.  

     6. Как моделируется ситуация «хищник-жертва»?  К каким 

     выводам можно прийти, используя математическую модель? 

     Примером  анализа ситуации «хищник-жертва»  может служить эволюция численности  зайцев и волков, которая характеризуется  колебаниями по времени. Абстрагируясь  от различных обстоятельств, так  или иначе влияющих на число зверей, можно проанализировать важнейшую  зависимость: зайцы едят траву, а  волки – зайцев. Если бы жили одни зайцы, и корма было достаточно, то их численность росла бы по экспоненциальному  закону, а если бы жили только волки, то они вымирали бы по тому же закону. При их совместном существовании  скорость изменения численности  зайцев и волков связана с частотой их столкновения, т.е. пропорциональна  количеству тех и других с некоторым  коэффициентом.

     Рост  численности зайцев приводит к увеличению питания для волков, но уменьшает  количество травы, так что вскоре численность волков вырастает, а  зайцев – уменьшается. Количество травы  увеличивается, но запасы пищи для волков уменьшаются, и их численность падает. Тогда поголовье зайцев снова  растет, и процесс повторяется. Режим  колебаний с определенным периодом оказывается устойчивым. Уравнения, описывающие такую систему:

      ,

     где первое уравнение описывает число  жертв n, второе – число хищников m.

     Эти уравнения имеют периодическое  решение. Стационарное решение соответствует  полному вымиранию, и оно единственное устойчивое. В природе такое может  случиться, но биологи указывают  на возможность животных-жертв найти  убежище, не доступное хищникам, так  что некоторая часть их выживет. Модель может усложняться введением  нескольких типов жертв, которыми может  питаться один хищник, и другими  вариантами. 

     7. Как моделируется ситуация «симбиоз»?  К каким выводам можно 

     прийти, используя математическую модель? 

     Симбиоз отражает кооперацию отдельных видов  в борьбе за существование, когда  один вид помогает или покровительствует  другому (как, например, кооперация пчел или деревьев). Поскольку скорость размножения одного вида зависит  от наличия другого, то, пренебрегая  внутривидовым подавлением  , имеем:

      .

     Здесь стационарный случай соответствует  n=m=0. В этих простых схемах не хватает очень многих факторов – смены климата и погоды, связи возраста особи и смертности, колебаний запасов пищи в разное время года и на разных территориях и т.д. Но использование даже простых моделей при разных, эмпирически учтенных тех или других параметрах дает интересные результаты.

     Строя математические модели и проводя  полевые испытания, ученые пытаются понять, каким образом паразиты и  их хозяева коэволюционировали в  тесные сообщества. Компьютерные модели этих процессов соответствует «гонке вооружений» в ходе эволюции. Паразиты должны все время приспосабливаться, чтобы получить от хозяина больше ресурсов для роста своей популяции, а хозяин всячески старается этого  не допустить. Биологи-эволюционисты  считают, что существование полов  с эволюционной точки зрения неудачно, и половые различия должны бы постепенно исчезнуть, но этого не происходит. Вероятно, потому, что пол является неким «секретным оружием», сохраняющим  большую устойчивость хозяина: ведь паразит приспосабливается обычно к определенному его типу. Как  только хозяева становятся жертвами, численность менее распространенных типов хозяев увеличивается, и наоборот. 

     8. Какую роль в биотическом круговороте  играют микроорганизмы,

     являются ли они необходимыми для жизни на Земле и почему? 

     Биотический круговорот – основа существования  биосферы. Главный элемент круговорота  – способность одних организмов питаться другими или их отходами. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые превращают останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно организованным существам. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника углерода и энергии.