Потік енергії через популяцію

Як було зазначено, середовище існування особини має забезпечити її життєві потреби: у середовищі вона знаходить передусім потрібну для життя енергію і матерію. Справа в тому, що особина впродовж активного життя непомітно пов'язана з середовищем якраз потоком енергії і матерії, котрий надходить разом з кормом із середовища до особини, в якій ці два компоненти і матерія нагромаджуються у вигляді біомаси. Одночасно частина енергії та матерії після певних перетворень особиною надходить до середовища у вигляді продуктів обміну речовин і тепла. Цей процес має назву біологічної продуктивності організму. Той самий процес, що й у випадку однієї особини, вирішує долю життя, приросту біомаси, народжуваності і тривалості життя конкретної популяції рослин чи тварин. Потік енергії і матерії через популяцію називають біологічною продукцією популяції. Для того, щоб створити нову матерію – продукцію, необхідний корм (С). Наступний процес засвоєння особиною частини матерії у вигляді корму становить брутто продукції, або ж асиміляції (А). Частина засвоєної продукції йде на побудову тіла особини, яке називають біомасою (продукція нетто Р). Наявна в кормі енергія використовується на життєві процеси особини (пересування, втеча, погоня, пережовування корму і т.п.), а також розсіюється у вигляді теплової, хімічної (наприклад, газовиділення), світлової, електричної енергії. Оскільки всі організми беруть енергію з окисленої органічної субстанції (вуглецю), її мірилом є інтенсивність дихання особин (респірація (R), від лат. "респіро" – дихання). У тварин неперетравлений корм, а також фекальні рештки (кал, сеча або урина), які виділяються в середовище (FU), є не що інше, як різниця між спожитою їжею і асиміляцією (FU=(C-A)). Подібно до тварин рослини виділяють корінням і надземними органами продукти асиміляції: вуглекислий газ, токсичні метаболіти, а також невикористані метаболізмом сполуки. Як ми вже знаємо, ці виділення можуть бути для інших організмів шкідливими (алелопатія), корисними (біостимуляція) або ж можуть не приносити ні шкоди, ні користі. Крім згаданих виділень, які утворюються внаслідок засвоєння корму, тварини і рослини виділяють ще різноманітні слизи. Всі вони разом (фекалії, сеча, слиз і т.п.) і будуть становити непродуктивні відходи життєдіяльності особин (FU).

Розглянемо загальні рівняння енергетичного балансу для особин і популяції, сформульовані польським біологом К.Петрусевичем (1978):

С = Р + R + FU; А = Р + R = С - FU; P = A - R = C - FU - R.

Однак слід зауважити, що ці рівняння енергетичного балансу певною мірою спрощені і мають теоретичний характер. Якщо б навіть вдалося в лабораторних умовах контролювати всі названі параметри, навряд чи можна було б домогтися такого ідеального балансу.

4. Екологія популяцій

4.1. Популяція і зовнішнє середовище

Кожна популяція відіграє в природі специфічну роль, займає певне місце в просторі, часі і системі екологічних факторів. Вона не ізольована від інших, а тісно взаємопов'язана з ними, що зумовлює складність і різноманітність екосистем. Образно кажучи, це нагадує оркестр, де кожен музикант має визначене місце, кожен інструмент має своє звучання, але завдяки нотній партитурі звучить мелодія, яку ми можемо пізнати. Хоча роль кожної популяції в екосистемі досить своєрідна, але вільних місць в природі не існує, на кожне місце є не один, а кілька претендентів і результати конкуренції залежать від багатьох причин: не тільки від того, який вид краще, більш оптимально пристосований до цих умов, який вид сильніший, а й від того, який вид швидше зміг його опанувати, був першим. Незважаючи на таку досить ускладнену комбінаторику, в природі простежуються певні закономірності, зокрема в реакції, поведінці одних популяцій по відношенню до інших, а також щодо оточуючих умов. Щоб розібратися в таких закономірностях, розглянемо спочатку місце, поведінку популяцій в системі навколишнього середовища, під яким ми розуміємо сукупність всіх зовнішніх умов, необхідних для існування популяції, її виживання, розмноження та відтворення.

В цілому між середовищем і організмами існує досить тісна взаємодія, тобто ці дві складові формують діалектичну єдність. Суть принципу єдності полягає в тому, що жива система бере з навколишнього середовища всі необхідні компоненти і віддає їх в іншій формі. Різниця між тим, що береться і віддається призводить до змін в навколишньому середовищі і чим значнішою є різниця, яка зумовлюється особливостями життєдіяльності організмів та їх чисельністю, тим зміни суттєвіші, глибші і глобальніші.

Зв'язок живого з навколишнім середовищем постійний, невід'ємний (кожен організм не може існувати поза середовищем) і взаємний (середовище впливає на організми, організм — на середовище).

Живі організми пов'язані з оточуючим середовищем через життєві потреби, обумовлені морфофізіологічними адаптаціями.

Різноманітність природних умов змінюється в просторі і часі, таким чином на планеті немає однорідності, тобто таких двох місць, де б ці умови повністю збігалися. Те, що людина вважає однаковим, насправді різне для організмів. Навіть мікробіологи при вирощуванні в пробірці культур виділяють пристінну зону і ту, що знаходиться в культуральній товщі, мікроорганізми відповідно реагують на це, отже ступінь неоднорідності середовища залежить від типу організмів, які сприймають цю неоднорідність з відповідною реакцією, та їх розмірів.

Виділяють такі зміни природних умов:

• циклічні, які періодично повторюються;

• направлені, градієнт яких змінюється в певному напрямку;

• хаотичні, аритмічні, в зміні яких не вдається встановити закономірності.

Популяція реагує певним чином на ці зміни своєю поведінкою, яка проявляється в: а) пасивному витримуванні умов, але зміні адаптацій по відношенню до зміни оточуючого середовища (одною із ознак такої реакції є фенотипічний поліморфізм — зміна морфології організмів чи окремих органів у відповідь на зміну оточуючого середовища — наприклад, у водяних жовтеців пластинки листків, які знаходяться у воді, мають розсічену форму, а в тих, що плавають на поверхні — розширену; б) активному пошуку відповідних умов.

Виділяють два способи реакції організмів на екологічні зміни:

а) у відповідь на зміни зовнішніх умов (із запізненням) — після зими відростають зелені листки, після дощу черв'яки вилазять на поверхню тощо;

б) реагування на сигнальний фактор, що упереджує зміни зовнішніх умов (підготовка до зимової сплячки, запасання їжі у хом'яків до настання холодів, міграція до місць розмноження у лососевих риб до періоду розмноження, формування зграй і відліт птахів у вирій до настання осінніх холодів тощо).

У цілому взаємозв'язок між біосистемою і середовищем забезпе­чується реакцією, яка може наставати не відразу, а через певний проміжок часу по типу "причина — наслідок".