7.4: Екологія громади
- Page ID
- 29994
Взагалі, популяції одного виду ніколи не живуть ізольовано від популяцій інших видів. Взаємодіючі популяції, що займають дане середовище проживання, утворюють екологічну спільноту. Кількість видів, що займають однакове середовище проживання та їх відносна чисельність, відома як різноманітність спільноти. Райони з низьким видовим розмаїттям, такі як льодовики Антарктиди, все ще містять найрізноманітніші живі організми, тоді як різноманітність тропічних лісів настільки велике, що його неможливо точно оцінити. Вчені вивчають екологію на рівні громад, щоб зрозуміти, як види взаємодіють один з одним і конкурують за одні й ті ж ресурси.
Хижацтво і травоїдна
Можливо, класичним прикладом взаємодії видів є взаємозв'язок хижак-здобич. Найвужче визначення взаємодії хижак-здобич описує особин однієї популяції, які вбивають, а потім споживають особин іншої популяції. Розміри популяції хижаків та здобичі в громаді не є постійними з плином часу, і вони можуть змінюватися в циклах, які, здається, пов'язані між собою. Найбільш часто наведений приклад динаміки популяції хижаків-здобич спостерігається в велосипеді рисі (хижака) та зайця снігоступів (здобич), використовуючи 100-річні дані про ловлю з Північної Америки (рисунок нижче). Ця циклічність чисельності популяції хижаків та здобичів має період приблизно десять років, при цьому популяція хижаків відстає від популяції видобутку на один-два роки. Очевидним поясненням цієї закономірності є те, що зі збільшенням чисельності зайців для рисі стає більше їжі, що дозволяє також збільшуватися популяції рисі. Однак, коли популяція рисі зростає до порогового рівня, вони вбивають стільки зайців, що чисельність зайців починає скорочуватися, після чого йде зниження популяції рисі через дефіцит їжі. Коли популяція рисі невелика, чисельність популяції зайців починає збільшуватися, частково, через низький хижацький тиск, починаючи цикл заново.
Захисні механізми від хижацтва та травоїдності
Хижацтво та уникнення хижаків є сильними селективними агентами. Будь-який спадковий персонаж, який дозволяє особі популяції видобутку краще ухилятися від своїх хижаків, буде представлений у більшій кількості в наступних поколіннях. Так само риси, які дозволяють хижаку ефективніше знаходити та захоплювати свою здобич, призведуть до більшої кількості потомства та збільшення поширеності ознаки всередині популяції. Такі екологічні відносини між конкретними популяціями призводять до адаптацій, які зумовлені взаємними еволюційними реакціями цих популяцій. Види розвинули численні механізми уникнення хижацтва та травоїдності (споживання рослин для їжі). Захисні сили можуть бути механічними, хімічними, фізичними або поведінковими.
Механічні захисні засоби, такі як наявність броні у тварин або шипів у рослин, відбивають хижацтво та травоїдність, перешкоджаючи фізичному контакту (рис. Нижче). Багато тварин виробляють або отримують хімічний захист від рослин і зберігають їх, щоб запобігти хижацтву. Багато видів рослин виробляють вторинні рослинні сполуки, які не виконують функції для рослини, за винятком того, що вони токсичні для тварин і перешкоджають споживанню. Наприклад, наперстянка виробляє кілька сполук, включаючи наперстянку, які є надзвичайно токсичними при вживанні в їжу (рис. Нижче). (Біомедичні вчені призначили хімічну речовину, вироблену наперстянкою, як серцевий препарат, який рятував життя протягом багатьох десятиліть.)
Багато видів використовують форму тіла та забарвлення, щоб уникнути виявлення хижаків. Тропічна тростина - комаха з забарвленням і формою тіла гілочки, через що його дуже важко розгледіти при нерухомому положенні на тлі справжніх гілочок (малюнок нижче). В іншому прикладі хамелеон може змінювати свій колір відповідно до оточення (рисунок нижче).
Деякі види використовують забарвлення як спосіб попередження хижаків про те, що вони неприємні або отруйні. Наприклад, секвестери гусениць метелика-монарха отруює свою їжу (рослини та молочні бур'яни), щоб зробити себе отруйними або неприємними для потенційних хижаків. Гусениця яскраво-жовта та чорна, щоб рекламувати свою токсичність. Гусениця також здатна передавати секвестровані токсини дорослому монарху, який також різко забарвлений в чорний і червоний колір як попередження потенційним хижакам. Вогневухі жаби виробляють токсини, які роблять їх неприємними для своїх потенційних хижаків. Вони мають яскраво-червоне або помаранчеве забарвлення на животах, яке вони демонструють потенційному хижаку, щоб рекламувати свою отруйну природу та перешкоджати нападу. Це лише два приклади попереджувальної забарвлення, яка є відносно поширеною адаптацією. Попереджувальне забарвлення працює лише в тому випадку, якщо хижак використовує зір, щоб знайти здобич і може навчитися - наївний хижак повинен зазнати негативних наслідків вживання одного, перш ніж він уникне інших однаково забарвлених особин (рисунок нижче).
Хоча деякі хижаки вчаться уникати вживання певної потенційної здобичі через їх забарвлення, інші види розвинули механізми імітації цього забарвлення, щоб уникнути їх їдять, навіть якщо вони самі не можуть бути неприємними їсти або містити токсичні хімічні речовини. У деяких випадках мімікрії нешкідливий вид імітує попереджувальну забарвлення шкідливого виду. Якщо припустити, що вони поділяють одних і тих же хижаків, це забарвлення потім захищає нешкідливих. Багато видів комах імітують забарвлення ос, які є жалючими, отруйними комахами, тим самим відбиваючи хижацтво (рис. Нижче).
В інших випадках мімікрії кілька видів мають однакову попереджувальну забарвлення, але всі вони насправді мають захисні сили. Звичайність сигналу покращує відповідність всіх потенційних хижаків. На малюнку нижче показані різноманітні метелики з фальшивим смаком зі схожим забарвленням.
Конкурентний принцип виключення
Ресурси часто обмежені в середовищі існування, і кілька видів можуть конкурувати за їх отримання. Екологи прийшли до розуміння, що всі види мають екологічну нішу. Ніша - це унікальний набір ресурсів, що використовуються видом, який включає його взаємодію з іншими видами. Принцип конкурентного виключення стверджує, що два види не можуть займати одну нішу в середовищі існування: іншими словами, різні види не можуть співіснувати в громаді, якщо вони конкурують за всі однакові ресурси. Цей принцип працює тому, що якщо існує перекриття у використанні ресурсів і, отже, конкуренція між двома видами, то риси, які зменшують залежність від спільного ресурсу, будуть обрані для ведення еволюції, що зменшує перекриття. Якщо будь-який з видів не в змозі еволюціонувати, щоб зменшити конкуренцію, то види, які найбільш ефективно експлуатують ресурс, змусять інших видів до вимирання. Експериментальний приклад цього принципу показаний на малюнку нижче з двома найпростішими видами: Paramecium aurelia та Paramecium caudatum. При вирощуванні окремо в лабораторії вони обидва процвітають. Але коли вони розміщуються разом в одній пробірці (середовищі існування), P. aurelia перевершує P. caudatum за їжу, що призводить до можливого вимирання останнього.
симбіоз
Симбіотичні відносини - це тісні, тривалі взаємодії між особинами різних видів. Симбіози можуть бути комменсальними, в яких один вид приносить користь, тоді як інший не шкодить і не приносить користі; мутуалістичним, в якому обидва види приносять користь; або паразитичним, при якому взаємодія шкодить одному виду і приносить користь іншому.
Комменсалізм
Коменсальний зв'язок виникає, коли один вид виграє від тісної тривалої взаємодії, тоді як інший ні приносить користь, ні шкоду. Птахи, що гніздяться на деревах, є прикладом коменсальних відносин (рисунок нижче). Дереву не шкодить наявність гнізда серед його гілок. Гнізда легкі і мало напружують структурну цілісність гілки, і більшість листя, які дерево використовує для отримання енергії шляхом фотосинтезу, знаходяться над гніздом, тому вони не постраждали. Птах, з іншого боку, приносить велику користь. Якби птиці довелося гніздитися на відкритому повітрі, її ікра і молодняк були б вразливі для хижаків. Багато потенційних коменсальних відносин важко визначити, оскільки важко довести, що один партнер не отримує певної вигоди від присутності іншого.
Мутуалізм
Другий тип симбіотичних відносин називається мутуалізмом, при якому два види отримують вигоду від їх взаємодії. Наприклад, терміти мають взаємний зв'язок з протистами, які живуть в кишечнику комахи (рисунок нижче). Терміт виграє від здатності протистів перетравлювати целюлозу. Однак протисти здатні перетравлювати целюлозу тільки через наявність симбіотичних бактерій всередині своїх клітин, які виробляють фермент целюлази. Сам терміт не може цього зробити: без найпростіших він не зміг би отримувати енергію зі своєї їжі (клітковина з деревини, яку він жує і їсть). Найпростіші виграють завдяки наявності захисного середовища та постійного надходження їжі від деревини жувальних дій терміта. У свою чергу, протисти отримують користь від ферментів, що забезпечуються їх бактеріальними ендосимбіонтами, тоді як бактерії отримують користь від подвійно захисного середовища та постійного джерела поживних речовин від двох господарів. Лишай - це взаємний зв'язок між грибком і фотосинтетичними водоростями або ціанобактеріями. Глюкоза, що виробляється водоростями, забезпечує живлення обох організмів, тоді як фізична структура лишайника захищає водорості від елементів і робить певні поживні речовини в атмосфері більш доступними для водоростей. Водорості лишайників можуть жити самостійно з огляду на правильне середовище, але багато хто з грибкових партнерів не в змозі жити самостійно.
Паразитизм
Паразит - це організм, який харчується іншим, не відразу вбиваючи організм, яким він харчується. У цьому відношенні паразит приносить користь, але організм, який харчується, господареві, завдається шкоди. Хост, як правило, ослаблений паразитом, оскільки він сифонує ресурси, які господар зазвичай використовував би для підтримки себе. Паразити можуть вбити своїх господарів, але зазвичай існує вибір, щоб уповільнити цей процес, щоб дозволити паразиту час завершити свій репродуктивний цикл, перш ніж він або його потомство зможуть поширитися на іншого господаря.
Репродуктивні цикли паразитів часто дуже складні, іноді вимагають більше одного виду господаря. Стрічковий черв'як викликає захворювання у людей, коли споживається забруднене, недоварене м'ясо, таке як свинина, риба або яловичина (рис. Нижче). Стрічковий черв'як може жити всередині кишечника господаря протягом декількох років, отримуючи користь від їжі господаря, і він може вирости до довжини понад 50 футів, додаючи сегменти. Паразит переходить від одного виду господаря до другого виду господаря, щоб завершити свій життєвий цикл. Plasmodium falciparum - ще один паразит: протисти, які викликають малярію, значне захворювання в багатьох куточках світу. Живучи всередині людської печінки та еритроцитів, організм безстатево розмножується в людському господареві, а потім статевим шляхом в кишечнику комарів, що годують кров, щоб завершити свій життєвий цикл. Таким чином, малярія поширюється від людини до комара і назад до людини, одне з багатьох інфекційних захворювань людини, що переносяться членистоногими.
Характеристика громад
Спільноти - це складні системи, які можна охарактеризувати своєю структурою (кількістю та розміром популяцій та їх взаємодій) та динамікою (як змінюються члени та їхні взаємодії з часом). Розуміння структури та динаміки громад дозволяє мінімізувати вплив на екосистеми та керувати екологічними спільнотами, від яких ми отримуємо користь.
біологічне різноманіття
Екологи широко вивчили одну з фундаментальних характеристик громад: біорізноманіття. Одним із показників біорізноманіття, яке використовують екологи, є кількість різних видів у певній місцевості та їх відносна чисельність. Розглянута територія може бути місцем проживання, біомом або всією біосферою. Видова багатство - це термін, який використовується для опису кількості видів, що мешкають у середовищі існування чи іншій одиниці. Різноманітність видів різниться по всій земній кулі (рисунок нижче). Екологи намагалися зрозуміти детермінанти біорізноманіття. Багатство видів пов'язане з широтою: найбільше видове багатство відбувається поблизу екватора, а найнижче багатство - біля полюсів. Інші фактори впливають на багатство видів, а також. Біогеографія острова намагається пояснити велике видове багатство, знайдене на ізольованих островах, і виявила взаємозв'язок між видовим багатством, розміром острова та віддаленістю від материка.
Відносна кількість видів - це кількість особин у виді відносно загальної кількості особин у всіх видах всередині системи. Фундаментні види, описані нижче, часто мають найвищу відносну кількість видів.
види фундаменту
Фундаментні види вважаються «базою» або «основою» спільноти, надаючи найбільший вплив на його загальну структуру. Вони часто є первинними виробниками, і вони, як правило, є багатим організмом. Наприклад, ламінарія, вид бурих водоростей, - це фундаментний вид, який становить основу лісів ламінарії біля узбережжя Каліфорнії.
Фундаментальні види можуть фізично змінювати навколишнє середовище, щоб виробляти та підтримувати середовища існування, які приносять користь іншим організмам, які їх використовують. Приклади включають описану вище ламінарію або породи дерев, знайдені в лісі. Фотосинтетичні корали коралового рифу також забезпечують структуру, фізично змінюючи навколишнє середовище (рисунок нижче). Екзоскелети живих і мертвих коралів складають більшу частину рифової структури, яка захищає багато інших видів від хвиль і океанських течій.
Види трапецеїдальних
Ключовим видом є той, чия присутність має надмірний вплив на підтримку поширеності різних видів в екосистемі, структурі екологічної спільноти, а іноді і на її біорізноманіття. Pisaster ochraceus, міжприливна морська зірка, є ключовим видом у північно-західній частині США (рисунок нижче). Дослідження показали, що при видаленні цього організму з спільнот збільшуються популяції мідій (їх природна здобич), що повністю змінює видовий склад і зменшує біорізноманіття. Іншим ключовим видом є смугаста тетра, риба в тропічних потоках, яка постачає майже весь фосфор, необхідну неорганічну поживну речовину, решті громади. Смугаста тетра в основному харчується комахами з наземної екосистеми, а потім виділяє фосфор у водну екосистему. Відносини між популяціями в громаді, і, можливо, біорізноманіття, різко зміниться, якби ці риби вимерли.
Біологія в дії
Інвазивні види - це немісцеві організми, які при введенні в область поза рідним ареалом змінюють спільноту, в яку вони вторгаються. У Сполучених Штатах інвазивні види, такі як вербейник фіолетовий (Lythrum salicaria) та мідія зебра (Dreissena polymorpha), змінили водні екосистеми, а деяким лісам загрожує поширення обліпихи звичайної (Rhamnus катарктика) і часникова гірчиця (Alliaria petiolata). Деякі відомі інвазивні тварини включають смарагдовий попелястий бур (Agrilus planipennis) та європейський шпак (Sturnus vulgaris). Незалежно від того, насолоджуючись лісовим походом, приймаючи літню прогулянку на човні або просто гуляючи міською вулицею, ви, ймовірно, зіткнулися з інвазивним видом.
Одне з багатьох недавніх розповсюджень інвазивного виду стосується азіатського коропа в Сполучених Штатах. Азіатський короп був введений в Сполучених Штатах в 1970-х роках шляхом рибальства (комерційних сомів ставків) і очисних споруд, які використовували відмінні можливості подачі фільтра риби для очищення своїх ставків від надлишку планктону. Деякі риби втекли, і до 1980-х років вони колонізували багато водних шляхів басейну річки Міссісіпі, включаючи річки Іллінойс і Міссурі.
Ненажерливі годівниці і швидкі розмножувачі, азіатський короп може перевершити місцеві види за їжу і може призвести до їх вимирання. Один вид, білий амур, харчується фітопланктоном і водними рослинами. Він конкурує з місцевими видами за ці ресурси і змінює місця проживання розплідників для інших риб, видаляючи водні рослини. Інший вид, товстолобик, конкурує з місцевими рибами, які харчуються зоопланктоном. У деяких районах річки Іллінойс азіатський короп становить 95 відсотків біомаси громади. Хоча їстівна, риба кістлява і не бажана в Сполучених Штатах. Більш того, їх присутність зараз загрожує корінним рибам і рибальству Великих озер, які важливі для місцевої економіки і рекреаційних рибалок. Азіатський короп навіть травмував людей. Риби, злякані звуком наближаються моторних човнів, виштовхуються в повітря, часто приземляючись в човен або прямо б'ючи човнів.
Великі озера та їх цінний лосось та озерна форель рибальство знаходяться під загрозою азіатського коропа. Коропа ще немає в Великих озерах, і робляться спроби перешкодити його доступу до озер через Чиказький корабельно-санітарний канал, який є єдиним зв'язком між річкою Міссісіпі і басейнами Великих озер. Щоб запобігти виходу азіатського коропа з каналу, для перешкоджання їх міграції було використано ряд електричних бар'єрів; однак загроза досить значна, що кілька штатів та Канада подали до суду на те, щоб канал Чикаго був постійно відрізаний від озера Мічиган. Місцеві та національні політики зважили, як вирішити проблему. Загалом уряди були неефективними у запобіганні або уповільненні впровадження інвазивних видів.
Питання, пов'язані з азіатським коропом, показують, як населення та громади екологія, управління рибальством та політика перетинаються з питань, що мають життєво важливе значення для продовольства та економіки людини. Соціально-політичні проблеми, такі як азіатський короп, широко використовують науки про екологію населення, вивчення представників конкретного виду, що займають середовище проживання; і екологія громади, вивчення взаємодії всіх видів в межах середовища існування.
Динаміка спільноти
Динаміка спільноти - це зміни структури та складу громади з часом, часто після екологічних порушень, таких як вулкани, землетруси, шторми, пожежі та зміни клімату. Кажуть, що спільноти з відносно постійною кількістю видів знаходяться в рівновазі. Рівновага динамічна з видовими ідентичностями та відносинами, що змінюються з часом, але підтримуючи відносно постійні числа. Після порушення громада може або не може повернутися до стану рівноваги.
Спадковість описує послідовну появу та зникнення видів у спільноті з плином часу після сильного порушення. У первинній послідовності нововідкриті або новоутворені породи колонізуються живими організмами; у вторинній послідовності частина екосистеми порушується, а залишки попередньої спільноти залишаються. В обох випадках відбувається послідовна зміна видів до тих пір, поки не розвивається більш-менш постійна спільнота.
Первинна спадщина та піонерські види
Первинна спадкоємність відбувається, коли формується нова земля, наприклад, після виверження вулканів, таких як ті, що знаходяться на Великому острові Гаваї. Коли лава впадає в океан, постійно утворюється нова земля. На Великому острові до нього щороку додається приблизно 32 гектари землі її розміру. Вивітрювання та інші природні сили руйнують скелю, достатню для створення ситних видів, таких як лишайники та деякі рослини, відомі як піонерські види (рисунок нижче). Ці види допомагають ще більше розбити багату мінералами лаву на грунт, де інші, менш витривалі, але більш конкурентоспроможні види, такі як трави, чагарники та дерева, будуть рости і врешті-решт замінювати піонерські види. Згодом площа досягне рівноважного стану, при цьому набір організмів досить відрізняється від піонерського виду.
Вторинне правонаступництво
Класичний приклад вторинної послідовності зустрічається в дубових і гікорних лісах, очищених від пожежі (рисунок нижче). Лісові пожежі спалять більшу частину рослинності, і якщо тварини не зможуть втекти з району, вони гинуть. Їх поживні речовини, однак, повертаються в землю у вигляді золи. Таким чином, хоча громада була різко змінена, існує ґрунтова екосистема, яка забезпечує основу для швидкої реколонізації.
До пожежі в рослинності переважали високі дерева з доступом до основного енергетичного ресурсу рослин: сонячного світла. Їх висота давала їм доступ до сонячного світла, одночасно затінюючи землю та інші низинні види. Однак після пожежі ці дерева вже не домінують. Таким чином, першими рослинами, які відростають, зазвичай є однорічні рослини, за якими протягом декількох років слідують швидко зростаючі та поширюються трави та інші піонерські види. Через, принаймні частково, зміни в навколишньому середовищі, спричинені зростанням трав і кущів, протягом багатьох років з'являються чагарники разом з невеликими деревами сосни, дуба та гікорі. Ці організми називаються проміжними видами. Врешті-решт, протягом 150 років, ліс досягне своєї точки рівноваги і буде нагадувати громаду перед пожежею. Цей стан рівноваги називають кульмінаційним співтовариством, яке залишиться до наступного порушення. Кульмінаційна спільнота, як правило, характерна для даного клімату та геології. Хоча спільнота в рівновазі виглядає однаково, як тільки вона досягається, рівновага є динамічною з постійними змінами достатку, а іноді і видової ідентичності. Повернення природної екосистеми після сільськогосподарської діяльності також є добре задокументованим вторинним процесом спадкоємства.
