При описании процессов, происходящих в популяциях, часто важно знать не общую численность особей, а количество организмов, способных к размножению. Для обозначения числа размножающихся особей используют понятие эффективная численность.
Обычно численность популяции из года в год сохраняется около среднего уровня. Однако в определённые, благоприятные для популяции годы её численность может резко возрасти. Известны вспышки массового размножения непарного шелкопряда, саранчи и многих других видов. В связи с высоким урожаем кормов возрастает численность популяций зайцев, белок, леммингов. Резко увеличивается число особей видов, попадающих в новые регионы, где у них отсутствуют естественные враги (кролики в Австралии, ондатра в Европе). Популяция может очень быстро достичь максимально возможной величины, если исчезнут виды, сдерживающие её рост. Так произошло с популяциями насекомых-вредителей в Китае после того, как там были уничтожены воробьи.
Если плотность популяции достигает или слишком высоких, или слишком низких значений, срабатывают определённые механизмы, восстанавливающие эту величину до оптимального для этого местообитания числа особей. Такую способность популяций к самоподдержанию называют регуляцией численности.
Существует множество механизмов регуляции численности, поэтому в природе редко происходят катастрофические колебания, которые подрывают ресурсы среды и приводят к гибели популяции.
Состав популяции. Каждую популяцию составляют особи, различающиеся по полу и возрасту.
Возрастная структура – соотношение в популяции особей разного возраста (рис. 15, 16). Этот показатель зависит от продолжительности жизни особей, времени достижения ими половой зрелости, интенсивности размножения, смертности и т. д. Возрастная структура популяции может изменяться под действием внешних факторов, так как они контролируют и рождаемость, и смертность. Чем шире возрастной состав популяции, тем устойчивее она к действию внешних факторов. Знание возрастного состава популяции позволяет прогнозировать её развитие на несколько лет вперёд.
Рис. 15. По характеру пирамиды возрастов можно предсказать ближайшую судьбу конкретной популяции: А – возрастная пирамида популяции чаек; Б – возрастные пирамиды двух разных популяций полёвок
Рис. 16. Возрастно-половая пирамида населения России (данные 2009 г.).
Популяции, состоящие из множества следующих друг за другом поколений, имеют сложную возрастную структуру. В других популяциях возрастная структура может быть очень простой, например у однолетних растений, где все особи равновозрастны.
Половая структура – соотношение особей разного пола. В большинстве популяций в соответствии с генетическими закономерностями соотношение полов составляет 1:1. Однако в результате разной выживаемости особей мужского и женского пола на различных этапах индивидуального развития это соотношение может значительно меняться (см. рис. 16).
Половая структура популяций не определяется у животных-гермафродитов (например, дождевых червей). У некоторых видов, которые способны размножаться без оплодотворения (дафнии, тли и др.), популяции на определённых стадиях жизненного цикла представлены только самками. В таких популяциях эффективность размножения достигает максимальных значений.
Будучи целостной динамической структурой, существующей во времени и пространстве, популяция является элементарной биологической частью вида, способной к эволюционным изменениям.
Вопросы для повторения и задания
1. Какими параметрами характеризуется каждая популяция?
2. Объясните, почему нельзя изучить все признаки и свойства популяции или вида на примере одной особи.
3. При каких условиях численность популяции может быстро достичь максимально возможной величины?
4. От чего зависит возрастная структура популяции? Почему разновозрастные популяции менее чувствительны к внезапным изменениям условий?
5. У каких популяций не определяется половая структура?
Подумайте! Выполните!
1. Приведите примеры популяций растений и животных, которые вы встречали в природе. От чего зависит численность особей в этих популяциях?
2. Объясните, почему весенняя гибель большинства взрослых особей землероек-бурозубок повлечёт за собой резкий и продолжительный спад численности популяции, в то время как полное уничтожение весной вылетевших майских жуков к подобному результату не приведёт.
3. В теории и практике лесоразведения существует два подхода. Оцените их. Первый – создание одновозрастных культур рядами, по типу пшеничного поля. Второй – создание разновозрастных культур со сложным пространственным расположением. Первый метод – менее трудоёмкий. Какой из них выбрали бы вы и почему?
4. Решите задачу. В одном из степных заповедников на площади в 200 га насчитывалось 296 особей сурков: 95 новорождённых, 39 годовалых, 40 двухлетних, 122 трехлетних и старше. Спустя два года на участке было 390 особей, и среди них 98 новорождённых, 66 годовалых, 62 двухгодовалых, остальные – старше. Изменилась ли возрастная структура популяции?
5. Рассмотрите рисунок 16. Какую информацию вы можете получить из приведённой пирамиды? Проанализируйте её и сделайте максимально возможное число выводов. Обсудите в классе полученные вами и вашими одноклассниками результаты. Объедините их и сделайте общее заключение.
Работа с компьютером
Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.
7. Популяция как единица эволюции
Вспомните!
Почему в природе биологические виды существуют в форме популяций?
Какие свойства могут характеризовать популяцию как группу организмов?
Элементарная единица эволюции. Процесс эволюции идёт в течение тысяч и миллионов лет, поэтому он не может затронуть отдельную особь. Несмотря на то что в течение жизни каждый организм претерпевает онтогенетические изменения, эволюционный процесс на уровне одного организма не происходит. Генетический материал особи остаётся неизменным.
Элементарная единица эволюции должна удовлетворять определённым требованиям, а именно:
– выступать во времени и пространстве как некое единство;
– быть способной формировать резерв наследственной изменчивости и наследственно изменяться во времени;
– реально существовать в определённых природных условиях в течение долгого времени, соизмеримого со сроками видообразования.
Отдельный организм не удовлетворяет этим требованиям. Точно так же эти условия не соответствуют виду в целом, потому что, как нам уже известно, вид не существует в пространстве как единое целое. В пределах ареала вида особи распределены неравномерно: либо они образуют разобщённые группы, либо их плотность заселения сильно отличается в различных частях местообитания.
Приведённым выше условиям полностью удовлетворяет популяция. Она реально существует в природе, представляет некое единое целое во времени и пространстве и способна наследственно изменяться во времени. Популяция и является элементарной единицей эволюции.
Элементарное эволюционное явление. Популяция представляет собой совокупность организмов одного вида, каждый из которых обладает определённым генотипом. Совокупность генотипов всех особей популяции называют генофондом популяции.
Любая популяция гетерогенна (неоднородна) по своему генотипическому составу, т. е. в любой популяции генотипы особей отличаются друг от друга. Если условия окружающей среды достаточно постоянны в течение длительного времени, генофонд популяции остается практически неизменным относительно некоего среднего уровня. Однако, если условия изменятся, преимущество получат только особи, обладающие определёнными свойствами и признаками, полезными для выживания в новых условиях. В результате полового размножения именно они смогут передать свои гены, а следовательно, признаки и свойства, следующему поколению. Действуя на фенотипы, естественный отбор будет оставлять определённые генотипы, что приведёт к направленному изменению генофонда популяции. Гены, отвечающие за более «выгодные» в данных условиях признаки, будут накапливаться из поколения в поколение, что приведёт к изменению частот встречаемости этих генов в генофонде популяции.