19.4: Екологія громади
- Page ID
- 421
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 одне і те ж середовище проживання, і їх відносна чисельність відома як різноманітність спільноти. Райони з низьким видовим різноманіттям, 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 між собою і конкурують за одні й ті ж ресурси.
Хижацтво і травоїрність
Можливо, класичним прикладом взаємодії видів є відносини хижак-жертва. Найвужче визначення взаємодії хижак-здобич описує особин однієї популяції, які вбивають, а потім споживають особин іншої популяції. Розміри популяції хижаків та здобичі в громаді з часом не є постійними, і вони можуть змінюватися в циклах, які, здається, пов'язані між собою. Найбільш часто наведений приклад динаміки популяції хижака-здобичі видно в велоспорті рисі (хижака) і зайця снігоступів (видобуток), використовуючи 100-річні дані уловлювання з Північної Америки (рис. \(\PageIndex{1}\)). Ця їзда на велосипеді розмірів популяції хижаків і видобутку 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 є більше їжі, що дозволяє також збільшуватися популяції рисі. Однак, коли популяція рисі зростає до порогового рівня, вони вбивають стільки зайців, що чисельність зайців починає знижуватися, а потім спад популяції рисі через дефіцит їжі. Коли популяція рисі низька, чисельність популяції зайців починає збільшуватися, частково, через низький хижацький тиск, починаючи цикл заново.
Механізми захисту від хижацтва та травоїрності
Хижацтво та уникнення хижаків є сильними селективними агентами. Будь-який спадковий характер, який дозволяє особі популяції видобутку краще ухилятися від своїх хижаків, буде представлений у більшій кількості в наступних поколіннях. Так само риси, які дозволяють хижакові ефективніше знаходити та захоплювати свою здобич, призведуть до більшої кількості потомства та збільшення поширеності риси в популяції. Такі екологічні відносини між конкретними популяціями призводять до адаптацій, які зумовлені взаємними еволюційними реакціями в цих популяціях. Види розвинули численні механізми втечі хижацтва і травоїдних (споживання рослин в їжу). Захисні сили можуть бути механічними, хімічними, фізичними або поведінковими.
Механічні захисні засоби, такі як наявність броні у тварин або шипів у рослин, перешкоджають предації та травоїрі, перешкоджаючи фізичному контакту (рис \(\PageIndex{2}\). Багато тварин виробляють або отримують хімічні захисні сили від рослин і зберігають їх, щоб запобігти хижацтву. Багато видів рослин виробляють вторинні рослинні сполуки, які не виконують жодної функції для рослини, за винятком того, що вони токсичні для тварин і перешкоджають споживанню. Наприклад, наперстянка виробляє кілька сполук, в тому числі наперстянки, які вкрай токсичні при вживанні в їжу (рис. \(\PageIndex{2}\)Б). (Біомедичні вчені призначили хімічну речовину, вироблену наперстянкою, як серцевий препарат, який рятував життя протягом багатьох десятиліть.)
Багато видів використовують свою форму тіла та забарвлення, щоб уникнути виявлення хижаками. Тропічна тростина - комаха з забарвленням і формою тіла гілочки, через що дуже важко побачити, коли вона нерухома на тлі справжніх гілочок (рис \(\PageIndex{3}\). В іншому прикладі хамелеон може змінювати свій колір, щоб відповідати його оточенню (рис. \(\PageIndex{3}\)Б).
Деякі види використовують забарвлення як спосіб попередження хижаків про те, що вони неприємні або отруйні. Наприклад, гусениця метелика монарха витягує отрути зі своєї їжі (рослин та молочаю), щоб зробити себе отруйною або неприємною для потенційних хижаків. Гусениця яскраво-жовта і чорна, щоб рекламувати свою токсичність. Гусениця також здатна передавати захоплені токсини дорослому монарху, який також різко забарвлений у чорно-червоний колір як попередження для потенційних хижаків. Вогненно-пузаті жаби виробляють токсини, які роблять їх неприємними для своїх потенційних хижаків. Вони мають яскраво-червоне або помаранчеве забарвлення на животі, яку вони демонструють потенційному хижакові, щоб рекламувати свою отруйну природу і відбити напад. Це лише два приклади застережливого 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 відчувати негативні наслідки вживання в їжу, перш ніж він уникне інших аналогічно забарвлених особин (Малюнок \(\PageIndex{4}\)).
Хоча деякі хижаки вчаться уникати поїдання певної потенційної здобичі через їх забарвлення, інші види розвинули механізми імітації цього забарвлення, щоб уникнути вживання в їжу, навіть якщо вони самі не можуть бути неприємними для їжі або містити токсичні хімічні речовини. У деяких випадках мімікрії нешкідливий вид імітує попереджувальну забарвлення шкідливого виду. Припускаючи, що вони поділяють одних і тих же хижаків, ця забарвлення захищає нешкідливих. Багато видів комах імітують забарвлення ос, які є жалкими, отруйними комахами, тим самим відбиваючи хижацтво (рис. \(\PageIndex{5}\)).
В інших випадках мімікрії кілька видів мають однакове попереджувальне забарвлення, але всі вони насправді мають захисні сили. Звичайність сигналу покращує податливість всіх потенційних хижаків. \(\PageIndex{6}\) На малюнку зображені різноманітні метелики зі схожим забарвленням.
Принцип конкурентного виключення
Ресурси часто обмежені в межах середовища проживання, 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 взаємодії з іншими видами. Принцип конкурентного виключення говорить, що два види не можуть займати одну і ту ж нішу в середовищі існування: іншими словами, різні види не можуть співіснувати в громаді, якщо вони конкурують за однакові ресурси. Цей принцип працює тому, що якщо є перекриття у використанні ресурсів і, отже, конкуренції між двома видами, то риси, які зменшують залежність від спільного ресурсу, будуть обрані для того, щоб привести до еволюції, що зменшує перекриття. Якщо будь-який вид не в змозі еволюціонувати, щоб зменшити конкуренцію, то види, які найбільш ефективно експлуатують ресурс, призведуть інші види до вимирання. Експериментальний приклад цього принципу показаний на малюнку \(\PageIndex{7}\) з двома найпростішими видами: Paramecium aurelia і Paramecium caudatum . При індивідуальному вирощуванні в лабораторії вони обидва процвітають. Але коли вони розміщуються разом у одній пробірці (середовищі існування), P. aurelia перевершує P. caudatum за їжу, що призводить до можливого зникнення останнього.
Симбіоз
Симбіотичні відносини - це тісні, тривалі взаємодії між особинами різних видів. Симбіози можуть бути коменсальними, при яких один вид приносить користь, а інший не шкодить і не приносить користі; мутуалістичний, при якому обидва види приносять користь; або паразитарні, при яких взаємодія шкодить одному виду та приносить користь іншому.
Комменсалізм
Коменсальні відносини виникають, коли один вид отримує вигоду від тісної тривалої взаємодії, тоді як інший ні приносить користь, ні шкоду. Птахи, що гніздяться на деревах, дають приклад коменсального зв'язку (рис. \(\PageIndex{8}\)). Дереву не шкодить наявність гнізда серед його гілок. Гнізда легкі і виробляють незначне навантаження на структурну цілісність гілки, а більшість листя, які дерево використовує для отримання енергії фотосинтезом, знаходяться над гніздом, тому вони не уражаються. Птах, навпаки, приносить велику користь. Якби птиці довелося гніздитися на відкритому повітрі, її ікра і молодняк були б уразливі 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 мутуалістичний зв'язок з протістами, які живуть в кишечнику комахи (рис. \(\PageIndex{9}\)А). Терміт отримує вигоду від здатності протестів перетравлювати целюлозу. Однак протести здатні перетравлювати целюлозу тільки через наявність всередині своїх клітин симбіотичних бактерій, які виробляють фермент целюлази. Сам терміт не може цього зробити: без найпростіших він не зміг би отримати енергію зі своєї їжі (целюлози з деревини, яку вона жує і їсть). Найпростіші приносять користь завдяки захисному середовищу та постійному надходженню їжі з деревних жувальних дій терміту. 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. Лишайники - це мутуалістична зв'язок між грибом і фотосинтезуючими водоростями або ціанобактеріями (рис. \(\PageIndex{9}\)Б). 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, враховуючи правильне середовище, але багато хто з грибкових партнерів не в змозі жити самостійно.
Паразитизм
Паразит - це організм, який харчується іншим, не вбиваючи негайно організм, яким він харчується. У цьому взаємозв'язку паразит приносить користь, але організм, що харчується, господар, завдає шкоди. Господар, як правило, ослаблений паразитом, оскільки він витрачає ресурси, які господар зазвичай використовує для підтримки себе. Паразити можуть вбити своїх господарів, але зазвичай проводиться відбір, щоб уповільнити цей процес, щоб паразит встиг завершити свій репродуктивний цикл до того, як він або його потомство зможуть поширитися на іншого господаря.
Репродуктивні цикли паразитів часто дуже складні, іноді вимагають більше одного виду господарів. Стрічковий черв'як викликає захворювання у людини при споживанні забрудненого, недовареного м'яса, такого як свинина, риба або яловичина (рис. \(\PageIndex{10}\)). Стрічковий черв'як може жити всередині кишечника господаря протягом декількох років, отримуючи користь від їжі господаря, і він може вирости довжиною 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 у багатьох частинах світу. Живучи всередині людської печінки та еритроцитів, організм безстатево розмножується у господаря людини, а потім статевим шляхом в кишечнику комарів, що харчуються кров'ю, щоб завершити свій життєвий цикл. Таким чином, малярія поширюється від людини до комарів і назад до людини, одне з багатьох інфекційних захворювань людей, що передаються членистоногими.
ПОНЯТТЯ В ДІЇ
Щоб дізнатися більше про «Симбіоз у морі», перегляньте цей веб-сайт про Блакитний світ Джонатана Берда .
Характеристика спільнот
Громади - це складні системи, які можна охарактеризувати своєю структурою (кількістю та розміром популяцій та їх взаємодією) та динамікою (як змінюються члени та їх взаємодія з часом). Розуміння структури та динаміки спільноти дозволяє нам 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 заходів біорізноманіття, що використовується екологами, є кількість різних видів у певній місцевості та їх відносна чисельність. Територія, про яку йде мова, може бути середовищем проживання, біом або цілою біосферою. Видове багатство - це термін, який використовується для опису кількості видів, що мешкають у середовищі існування чи іншій одиниці. Видове багатство різниться по всій земній кулі (рис. \(\PageIndex{11}\)). Екологи намагалися зрозуміти детермінанти біорізноманіття. Видове багатство пов'язане з широтою: найбільше видове багатство відбувається поблизу екватора, а найнижче багатство - біля полюсів. На багатство видів впливають і інші фактори. Острівна біогеографія намагається пояснити велике багатство видів, знайдене на ізольованих островах, і виявила взаємозв'язок між видовим багатством, розміром острова та відстанню від материка.
Відносна кількість видів - це кількість особин у виді відносно загальної кількості особин у всіх видах всередині системи. Види фундаменту, описані нижче, часто мають найвищу відносну чисельність видів.
Види фонду
Види фундаменту вважаються «підставою» або «основою» спільноти, що мають найбільший вплив на її загальну структуру. Вони часто є первинними виробниками, і вони, як правило, рясний організм. Наприклад, ламінарія, вид бурих водоростей, є основним видом, який становить основу лісів ламінарії біля берегів Каліфорнії.
Види фонду можуть фізично змінювати навколишнє середовище для виробництва та підтримки середовищ існування, які приносять користь іншим організмам, які їх використовують. Приклади включають описану вище ламінарію або породи дерев, знайдені в лісі. Фотосинтезуючі корали коралового рифу також забезпечують структуру, фізично модифікуючи навколишнє середовище (рис \(\PageIndex{12}\)). Екзоскелети живих і мертвих коралів складають більшу частину рифової структури, яка захищає багато інших видів від хвиль і океанічних течій.
Види трапецеїдальних каменів
Основним видом є той, чия присутність має непомірний вплив на підтримку поширеності різних видів в екосистемі, структурі екологічної спільноти, а іноді і її біорізноманіття. Pisaster ochraceus, міжприливна морська зірка, є ключовим видом у північно-західній частині США (рис. \(\PageIndex{13}\)). Дослідження показали, що при видаленні цього організму з спільнот популяції мідій (їх природна здобич) збільшуються, що повністю змінює видовий склад і зменшує біорізноманіття. Іншим ключовим видом є стрічкова тетра, риба тропічних потоків, яка постачає майже весь фосфор, необхідну неорганічну поживну речовину, решті громади. Смугаста тетра в основному харчується комахами із земної екосистеми, а потім виділяє фосфор у водну екосистему. Відносини між популяціями в громаді, і, можливо, біорізноманіттям, різко змінилися б, якби ці риби вимерли.
Біологія в дії: інвазивні види
Інвазивні види - це нерідні організми, які, потрапляючи в область поза рідним ареалом, змінюють громаду, в яку вони вторгаються. У США інвазивні види, такі як вербейник фіолетовий (Lythrum salicaria) та мідія зебри (Dreissena polymorpha), змінили водні екосистеми, а деяким лісам загрожує поширення звичайної крушини (Rhamnus catartica) та часникової гірчиці ( Alliaria petiolata). Деякі відомі інвазивні тварини включають смарагдовий попелястий бур (Agrilus planipennis) та європейський шпак (Sturnus vulgaris). Незалежно від того, насолоджуючись лісовим походом, літньою прогулянкою на човні чи просто гуляючи міською вулицею, ви, ймовірно, стикалися з інвазивним видом.
Одне з багатьох останніх розростань інвазивного виду стосується азіатського коропа в США. Азіатський короп були завезені в США в 1970-х роках рибальством (комерційні ставки сома) і очисними спорудами, які використовували відмінні властивості подачі фільтра риби для очищення своїх ставків від надлишку планктону. Частина риб втекла, і до 1980-х років вони колонізували багато водних шляхів басейну річки Міссісіпі, включаючи річки Іллінойс і Міссурі.
Ненажерливі годівниці і швидкі репродуценти, азіатський короп може перевершити місцеві види за їжу і може привести 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 тубільними рибами, які харчуються зоопланктоном. У деяких районах річки Іллінойс азіатський короп становить 95 відсотків біомаси громади. Хоча їстівна, риба кістлява і не бажана в США. Більш того, їх присутність зараз загрожує корінним рибним і рибним господарствам Великих озер, які важливі для місцевих господарств і рекреаційних рибалок. Азіатський короп навіть травмував людей. Риби, налякані звуком наближаються моторних човнів, заснули себе в повітря, часто приземляючись в човен або безпосередньо вражаючи яхтсменів.
Великі озера та їх цінується лосося та озерної форелі рибальства знаходяться під загрозою азіатських коропів. Коропа ще немає у Великих озерах, і робляться спроби перешкодити його доступу до озер через Чиказький корабельно-санітарний канал, який є єдиним зв'язком між басейнами річки Міссісіпі та Великих озер. Щоб запобігти виходу азіатського коропа з каналу, для перешкоджання їх міграції було використано низку електричних бар'єрів; однак загроза досить значна, що кілька штатів та Канада подали позов, щоб канал Чикаго назавжди відрізаний від озера Мічиган. Місцеві та національні політики зважилися на те, як вирішити проблему. Загалом, уряди були неефективними у запобіганні або уповільненні впровадження інвазивних видів.
Питання, пов'язані з азіатським коропом, показують, як екологія населення та громади, управління рибальством та політика перетинаються з питань, що мають життєво важливе значення для продовольчого забезпечення та економіки людини. Соціально-політичні питання, такі як азіатський короп, широко використовують науки про екологію населення, вивчення представників певного виду, що займають середовище проживання; та екологія спільноти, вивчення взаємодії всіх видів у середовищі існування.
Динаміка спільноти
Динаміка громади - це зміни в структурі та складі громади з часом, часто після екологічних порушень, таких як вулкани, землетруси, шторми, пожежі та зміни клімату. Кажуть, що спільноти з відносно постійною кількістю видів перебувають у 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 рівноважного стану.
Правонаступництво описує послідовну появу та зникнення видів у громаді з часом після сильного порушення. У первинній послідовності новоявлена або новоутворена порода колонізується 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 розвинеться більш-менш постійне співтовариство.
Первинна спадковість та піонерські
Первинна спадкоємність виникає, коли утворюється нова земля, наприклад, після виверження вулканів, таких як на Великому острові Гаваї. Коли лава впадає в океан, постійно утворюється нова земля. На Великому острові до нього щороку додається приблизно 32 гектари землі. Вивітрювання та інші природні сили руйнують скелю достатньо для створення серцевих видів, таких як лишайники та деякі рослини, відомі як піонерські види (Малюнок \(\PageIndex{14}\)). Ці види допомагають ще більше розбити багату мінералами лаву на ґрунт, де виростуть інші, менш витривалі, але більш конкурентоспроможні види, такі як трави, чагарники та дерева, і врешті-решт замінять піонерські види. З часом площа досягне рівноважного стану, при цьому набір організмів зовсім не відрізняється від піонерського виду.
Вторинне правонаступництво
Класичний приклад вторинної спадкоємності зустрічається в дубових і гікорних лісах, очищених від пожежі (рис. \(\PageIndex{15}\)). Лісові пожежі спалюють більшість рослинності, і якщо тварини не зможуть втекти з району, їх вбивають. Їх поживні речовини, однак, повертаються в землю у вигляді золи. Таким чином, хоча громада була різко змінена, існує ґрунтова екосистема, яка є основою для швидкої реколонізації.
Перед пожежею в рослинності переважали високі дерева з доступом до основного рослинного енергетичного ресурсу: сонячного світла. Їх висота надавала їм доступ до сонячного світла, а також затінюючи землю та інші низинні види. Однак після пожежі ці дерева вже не є домінуючими. Таким чином, першими рослинами, які відростають, як правило, є однорічні рослини, за якими протягом декількох років швидко ростуть і поширюються трави та інші піонерські види. Через, принаймні частково, зміни в навколишньому середовищі, спричинені зростанням трав і нащадків, протягом багатьох років чагарники з'являються разом з невеликими соснами, дубами та гікорі. Ці організми називаються проміжними видами. Зрештою, за 150 років ліс досягне своєї точки рівноваги і нагадуватиме громаду перед пожежею. Це рівноважний стан називають кульмінаційним співтовариством, яке збережеться до наступного порушення. Спільнота кульмінації, як правило, характерна для даного клімату та геології. Хоча громада в рівновазі виглядає однаково після її досягнення, рівновага є динамічною з постійними змінами в достатку, а іноді і видових ідентичностей. Повернення природної екосистеми після сільськогосподарської діяльності також є добре документованим вторинним процесом правонаступництва.
Підсумок розділу
Спільноти включають всі різні види, що живуть у певній місцевості. Різноманітність цих видів відносять до біорізноманіття. Багато організмів розробили захисні сили проти хижацтва та травоїдних, включаючи механічний захист, попереджувальне забарвлення та мімікрію. Два види не можуть нескінченно існувати в одному середовищі існування, конкуруючи безпосередньо за одні й ті ж ресурси. Види можуть утворювати симбіотичні відносини, такі як комменсалізм, мутуалізм або паразитизм. Структура громади описується її основою та основними видами. Громади реагують на порушення навколишнього середовища послідовністю: передбачувана поява різних типів видів рослин, поки не буде створена стабільна структура громади.
Глосарій
- клімакс співтовариство
- завершальна стадія правонаступництва, де формується стабільне співтовариство характерним асортиментом видів рослин і тварин
- принцип конкурентного виключення
- жодні два види в середовищі існування не можуть співіснувати нескінченно, коли вони змагаються за одні й ті ж ресурси одночасно та на місці
- порушення навколишнього середовища
- зміна навколишнього середовища, викликані стихійними лихами або людської діяльності
- види фундаменту
- вид, який часто утворює основні структурні частини середовища проживання
- господар
- організм паразит живе на
- острів біогеографія
- вивчення життя на острівних ланцюгах і як їх географія взаємодіє з різноманітністю видів, знайдених там
- види трапецеїдальних
- вид, чия присутність є ключем до підтримки біорізноманіття в екосистемі і для підтримки екологічної спільноти структури
- міміка
- адаптація, в якій організм виглядає як інший організм, який є небезпечним, токсичним або неприємним для своїх хижаків
- мутуалізму
- симбіотичні відносини між двома видами, де обидва види користь
- паразит
- організм, який використовує ресурси з іншого виду: господар
- піонерські
- перші види, що з'являються у первинній та вторинній послідовності
- первинне правонаступництво
- спадкоємство на землі, яка раніше не мала життя
- відносне видове достаток
- абсолютна чисельність популяції конкретного виду щодо чисельності популяції інших видів всередині спільноти
- вторинне правонаступництво
- правонаступництво у відповідь на екологічні порушення, які рухають громаду від його рівноваги
- видове багатство
- кількість різних видів в співтоваристві