Курсовая работа/курсовой проект

 

по дисциплине Биосфера и рациональное природопользование

 

 

на тему

«Популяционные волны и причины их вызывающие. Нарушения характера волн в последние десятилетия.»

 

Выполнил студент группы 1ИСб-00-11оп

группа

направления подготовки (специальности)

09.03.02 Информационные системы и технологии

Ермолинский Кирилл Сергеевич

фамилия, имя, отчество

Руководитель

 

Дата представления работы

«___ 20 ___»____ апреля ______2017 г.

Заключение о допуске к защите

Оценка _______________, _______________

количество баллов

Подпись преподавателя_________________

 

Череповец 2017

 

Содержание

1. Популяционные волны и причины их вызывающие……………...................…3

1.1 Этиология популяционных волн……………………………………………... 10

1.2 Механизм действия популяционных волн……………………………………11

2. Нарушения характера волн в последние десятилетия……………….………..12

Литература…………………………………………………………………………..14

 

1. Популяционные волны и причины их вызывающие.

Микроэволюция – изменения популяции под влиянием эволюционных факторов, что может приводить к изменениям генофонда и к выделению нового вида.[1]

Факторы эволюции:

· Мутация

· Изоляция

· Дрейф генов

· Популяционные волны

Популяционные волны – периодические либо непериодические колебания численности особей организмов в природных популяциях[1].

Пример:

Так, размеры популяций «жертвы» (зайца) растут при снижении давления на них со стороны популяций «хищника» (рыси, лисицы, волка). Отмечаемое в этом случае увеличение кормовых ресурсов способствует росту численности хищников, что, в свою очередь, интенсифицирует истребление жертвы (рис 1).

Рис 1.

Вспышки численности некоторых видов, наблюдавшиеся в ряде регионов мира, были обусловлены деятельностью человека. В XIX-XX вв. это относится к популяциям кроликов в Австралии, домовых воробьев в Северной Америке, канадской элодеи в Евразии. В настоящее время существенно возросли размеры популяций домовой мухи, находящей прекрасную кормовую базу в виде разлагающихся пищевых отбросов вблизи поселений человека. Напротив, численность популяций домовых воробьев в городах упала вследствие прекращения широкого использования лошадей. Масштабы колебаний численности организмов разных видов варьируют. Для одной из зауральских популяций майских жуков отмечены изменения количества особей в 106 раз.

Изменение генофондов популяций происходит как на подъеме, так и на спаде популяционной волны. При росте численности организмов наблюдается слияние ранее разобщенных популяций и объединение их генофондов. Так как популяции по своему генетическому составу уникальны, в результате такого слияния возникают новые генофонды с измененными по сравнению с исходными частотами аллелей. В условиях возросшей численности интенсифицируются межпопуляционные миграции особей, что также способствует перераспределению аллелей. Рост численности обычно сопровождается расширением занимаемой территории.

При спаде численности наблюдается распад крупных популяций. Возникающие малочисленные популяции характеризуются измененными генофондами. В условиях массовой гибели организмов редкие мутантные аллели могут быть генофондом потеряны. При сохранении редкого аллеля его концентрация в генофонде малочисленной популяции автоматически возрастает. На спаде волны жизни часть популяций, как правило, небольших по размерам, остается за пределами обычного ареала вида. Чаще они, испытывая действие необычных условий жизни, вымирают. Реже, при благоприятном генетическом составе, такие популяции переживают период спада численности. Будучи изолированными от основной массы вида, существуя в необычной среде, они нередко становятся родоначальниками новых видов.

Популяционные волны - эффективный фактор преодоления генетической инертности природных популяций. Вместе с тем их действие на генофонды не направленно. В силу этого они, так же как и мутационный процесс, подготавливают эволюционный материал к действию других элементарных эволюционных факторов.

Н.В. Тимофеев-Ресовский ввел в 1928 г. термин «популяционные волны» для обозначения колебаний численности особей популяции, которые возникают под влиянием различных факторов биотической и абиотической среды. Будучи характерными для всех видов, популяционные волны (или «волны жизни») имеют определенное эволюционное значение, поскольку при резком сокращении численности какой-либо популяции среди оставшихся в живых особей могут оказаться редкие генотипы. В дальнейшем восстановление численности данной популяции будет идти за счет выживших особей, что приведет к изменению частот генов, а значит и генофонда. Автомодельным решением будем называть решение, описывающее волну, которая движется с постоянной скоростью и сохраняет свою форму. Все сказанное выше полностью относится и к проблеме устойчивости популяционных волн.

Все типы динамики делятся на две группы: периодические (осцилляция, популяционные волны); непериодические (флуктуация).

Дрейф генов, или генетико-автоматический процесс, является следствием популяционных волн и, как отмечено выше, заключается в том, что в малых популяциях имеет место либо потеря какого-то аллеля, либо резкое повышение его концентрации. Примером дрейфа генов является утрата многих аллелей у баптистов, переселившихся около 250 лет назад из Германии в США. Но дрейф генов также не определяет направления эволюции.

Элементарными факторами эволюции служат естественный отбор, мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, дрейф генов, миграция, с действия которых начинается эволюция в популяциях. Естественный отбор является важнейшим направляющим фактором эволюции, поскольку его основная функция заключается в устранении из популяций организмов с неудачными комбинациями генов и сохранение генотипов, которые не нарушают процесса приспособительного формообразования. Действие естественного отбора проявляется в пределах популяции, но объектами приложения естественного отбора являются отдельные мутантные особи, которые являются элементарным материалом, на котором работает естественный отбор. В настоящее время существуют буквально единичные эксперименты, в которых распространение популяционной волны изучалось бы в более или менее контролируемых условиях, а такие популяционные параметры, как радиус индивидуальной активности или мальтузианский параметр, были бы измерены по-другому.

Полный ответ на этот вопрос, не имея информации о пространственной динамике этой популяции, получить невозможно, но есть возможность сравнить наблюдаемые скорости распространения и вычисленные теоретически по данным измерения мальтузианского параметра (скорость естественного роста популяции) и радиуса индивидуальной активности. Если эти величины будут близки, то можно с определенной степенью достоверности утверждать, что наблюдаемая картина есть популяционная волна. До сих пор я рассматривал динамику неравновесных экологических структур, распространяющихся по бесконечному ареалу,— нелинейных популяционных волн. Эти структуры есть не что иное, как переходные процессы между стационарными состояниями, каждое из которых однородно по пространству.

Вообще, феномен популяционных волн, описываемый моделями типа нелинейной диффузии, по-видимому, достаточно широко распространен в природе. Более того, несмотря на грубость исходных моделей и их известный ’’экологический примитивизм”, они позволяют описать не только качественную картину этого явления, но и получить достаточно точные количественные оценки такой важной характеристики, как скорость распространения волны. Конечно, большая имитационная модель может дать нам более реальную картину явления и более точный прогноз, но эти грубые модели дают возможность хорошего понимания качественных закономерностей, определяющих характер протекания процессов типа распространения (или затухания) вспышек видов — ’’вредителей”, эпизоотий, эпидемий и т.п. Кроме того, изложенные выше примеры показывают, сколь интересными могут быть процессы распространения нелинейных диффузионных волн в ’’экологических и эпидемиологических активных средах”. Многие экологические процессы, связанные с распространением популяции по ареалу из какого-то первичного очага или от локальной вспышки численности, по своей картине очень напоминают волны такого типа, который был упомянут ранее. Типичный пример (насекомые захватывают все новые и новые участки — возникает типичная картина распространения волны численности (плотности) насекомых или популяционной волны. Зная популяционные характеристики (мальтузианский параметр, а еще лучше, мальтузианскую функцию или функцию локального роста) и характеристики подвижности (радиус индивидуальной активности), можно рассчитать скорость распространения этой волны и ее форму и уже на основании этой информации разрабатывать какие-либо меры защиты. Конечно, ту же самую информацию можно получить из непосредственного наблюдения над динамикой пространственной картины распространения вспышки, но это сложно и не всегда осуществимо, да и к тому же займёт много времени. Теория же привлекательна тем, что она позволяет по данным локальных наблюдений оценить глобальные, пространственные характеристики процесса. Но, скорее всего, это будут лишь качественные оценки, так как и мальтузианский параметр, и радиус индивидуальной активности в значительной степени зависят от меняющихся факторов окружающей среды, но это все же лучше, чем не иметь никакой информации, или получать ее, когда вспышка уже распространилась на значительную территорию.

Многолетняя изменчивость зависит от изменения по годам внешних условий, действующих на сообщество. Примером могут служить разливы рек, резко колеблющееся по годам количество осадков, понижение уровня грунтовых вод и др. Кроме того, многолетняя периодичность может быть связана с так называемыми популяционными волнами - резким увеличением численности определенного вида животных. Наиболее хорошо изучены модели популяций, равномерно распределенных по пространству, плотность которых одинакова во всех точках ареала. Очевидно, что когда однородность пространства резко нарушена, такое описание будет неверным. Например, неоднородное распределение трофичебкого (пищевого) ресурса по ареалу приводит к мозаичности пространственной структуры популяции.

Популяционные волны или «волны жизни» характерны для всех организмов. Они могут быть периодическими или непериодическими.

Периодические	Непериодические
Можно наблюдать у короткоживущих организмов (насекомых, микроорганизмов, грибов)	Приводят к коренным перестройкам, так как касаются нескольких видов организмов в биогеоценозе.

Основными причинами популяционных волн являются взаимосвязи живых организмов между собой, факторы окружающей среды и влияние человека.

 

 

Значение «волн жизни» в эволюционном плане.

В тех случаях, когда численность популяции резко снижается, могут оставаться всего несколько особей. При этом, частота аллелей у них отлична от той, которая была в исходной популяции. Если после резкого спада численности популяции наблюдается её стремительный подъем, то можно утверждать, что начало для роста численности популяции даёт небольшая группа организмов, которая осталась. Опираясь на это наблюдение можно утверждать, что популяционные волны влияют на генофонд, поскольку генотип дано группы определяет генетическую структуру всей популяции. При этом возникают новые мутации в популяции, а определённая часть мутации исчезает вовсе. Популяционные волны чрезвычайно важны, поскольку при условии интенсивного отбора являются основным поставщиком эволюционного материала, когда мутации становятся редкими. Эволюционное значение «волны жизни» сводится к изменениям частоты и концентрации тех или иных ген, содержащихся в популяции[2].

При росте численности:

· Слияние разобщённых популяций и, как следствие объединение генофондов разных популяций и создание на их основе нового генофонда с другой частотой аллелей.

· Усиление внутривидовой борьбы за существование.

· Выселение особей за пределы ареала и интенсификация формообразования (возможность освоения новых экологических ниш).

· Интенсификация межпопуляционных миграций и перераспределение между популяциями.

При снижении численности:

· Распад крупных популяций на несколько малочисленных.

· Возможна утрата или снижение численности эволюционно ценных особей и аллелей.

· Способно привести к резкому ускорению эволюционных процессов и формообразованию в сочетании с генетико-автоматическими процессами.

· Может привести к вымиранию, биологическому регрессу.

Изменения популяционного генофонда происходят:

- На подъёме волны популяции (рост численности популяции): происходит усиление межпопуляционных миграций либо слияние ранее разобщенных популяций.

- На пике популяционной волны (наибольшая численность популяции): с ростом конкуренции возможно выселение особей за пределы ареала вида, где они подвергаются действию нетипичных для них условий, которые в свою очередь оказывают влияние на частоту некоторых аллелей.

- На спаде (уменьшение численности популяции): видом могут быть потеряны редкие аллели или же наоборот.

1.1 Этиология популяционных волн.

Из всех причин, которые способны повлиять на количественные характеристики популяции, ведущее место занимают климатические условия, биотические факторы при этом отводятся на второй план. При низком многообразии видов, количество особей в популяции зависит от погоды, химического состава окружающей среды, а также от степени её загрязнения. Стоит отметить, что причины популяционных волн предопределяют изменение численности популяции и зависят от ее плотности или влияют независимо от этого параметра. Абиотические и антропогенные факторы, как правило, не зависят от плотности популяции. Биотическое влияние зависит от нее в большей мере. Следует отметить территориальное поведение, которое в ходе эволюции является наиболее эффективным механизмом, который сдерживает рост количества особей в популяции. Так, активность особей ограничивается соответствующим пространством. При увеличении численности развивается внутривидовая конкуренция за ресурсы или прямой антагонизм (нападение на конкурентов).

Популяционные волны также зависят от поведенческих реакций, которые при высокой численности популяции характеризуются возникновением инстинкта массовой миграции. Также может развиваться стресс-реакция, при которой у особей развиваются физиологические особенности, которые способствуют снижению рождаемости и увеличивают смертность. Так, нарушается процесс овогенеза и сперматогенеза, учащаются случаи выкидышей, уменьшается количество особей одного поколения и увеличивается период полового созревания. Кроме того, уменьшается инстинкт заботы о потомстве, изменяется поведение – агрессивность растёт, наблюдается каннибализм и неадекватная реакция на лиц противоположного пола, что в конечном итоге снижает численность популяции.

 

1.2 Механизм действия популяционных волн.

Популяционные волны можно охарактеризовать с помощью модельного примера. Так, в закрытом ящике находится 500 черных и столько же белых шаров, что соответствует частоте аллелей Р-0,50. Если выбрать, наугад, 10 шаров и предположить, что 4 из них имеют черную окраску, а 6 - белую, то, соответственно, частота аллелей будет составлять 0,40 и 0,60. Если увеличить количество шаров в 100 раз, добавив 400 черных и 600 белых, затем наугад выбрать любые 10, то велика вероятность того, что их соотношение по цвету будет значительно отличаться от первоначального, например 2 черных и 8 белых. При этом частота аллелей составит Р-0,20 и Р-0,80 соответственно. Если взять третью выборку, то высока вероятность того, что будут извлечены 9 белых шаров из 10 избранных, или все они будут иметь белую окраску. По этому примеру можно судить о случайных колебаниях частоты аллелей в естественных популяциях, которые могут снижать или повышать концентрацию определенного гена[2].

2. Нарушения характера волн в последние десятилетия.

В последние десятилетия происходит нарушение характера популяционных волн, связано это по большей мере с деятельность человека. Практическая деятельность человека так или иначе отражается на численности природных популяций, вызывая увеличение популяций либо сокращение популяций, не редкий случай когда дело доходит и до гибели популяции. С недавнего времени тенденцией стало доведение некоторых популяций до грани полного исчезновения. Все это из-за косвенного воздействие человека на живую природу: в загрязнении среды обитания живых организмов, ее изменении или даже разрушении. Так, популяциям водных растений и животных очень вредит загрязнение воды. Например, численность черноморской популяции дельфинов не восстанавливается, так как в результате поступления в морские воды огромного количества ядовитых веществ смертность особей слишком высока[3]. В последние годы на всем протяжении Волги заметно участились заражения рыб. Так, в районе дельты у осетров и других рыб были обнаружены не свойственные им паразиты. Научный анализ подтвердил, что это - результат подавления иммунной системы рыб вследствие сбрасывания в Волгу технических отходов, а также стоков с рисовых полей в дельте. Часто причиной сокращения численности и исчезновения популяций является разрушение их местообитания, раздробление крупных популяций на небольшие, изолированные друг от друга. Это может быть вызвано вырубкой лесов, строительством дорог, новых предприятий, сельскохозяйственным освоением земель. Например, численность уссурийского тигра резко сократилась вследствие освоения человеком территорий в пределах ареала этого зверя и сокращения кормовой базы популяции.

Вывод:

Популяционные волны являются эффективным фактором выявления генетической инертности природных популяций. Вместе с тем их действие на генофонды не является направленным. В силу этого они, так же как и мутационный процесс, подготавливают эволюционный материал к действию других элементарных эволюционных факторов.

 

 

Литература:

1. Тимофеев-Ресовский Н. В., Микроэволюция, элементарные явления, материал и факторы микроэволюционного процесса, «Ботанический журнал», 1958.

2. Биология. В 2 кн. Кн. 1: Учеб. для медиц. спец. Вузов / В. Н. Ярыгин, В. И. Васильева, И. Н. Волков, В. В. Синелыцикова.