Популяции, взаимоотношения и круговороты

Кто живёт на участке

Условия

Ёмкость среды: корма хватает на400

Рождаемость жертв100 %

Ресурсы без ограничений (корма и места хватает всем)

Участок 20 км². Ёмкость среды — сколько особей может долго прокормить этот участок.

Опыты

0/4

Выберите опыт: модель подготовит участок, а вы меняйте условия и следите за приборами и графиком.

Время

год 0

Один год в модели — около двух секунд. Модель упрощена, значения учебные.

Популяции на лугу у леса

Колебания

Зайцы едят траву, рыси охотятся на зайцев.

Зайцы0плотность ——

Рыси0на 1 км² ——

Прирост за год0родилось 0 · погибло 0—

Корм на участке100%ёмкость среды ——

Численность популяций по годам

Что происходит

Сопротивление среды (нехватка корма)слабое

Давление хищников на жертвнет

Журнал

Стратегии выживания: r и K

урок 8пустите черепашат к морю

Ещё Чарльз Дарвин заметил, что в разных условиях виды выживают по-разному. В 40-х годах XX века эту мысль развил академик И. И. Шмальгаузен. Два противоположных способа самосохранения видов называют r- и K-стратегиями выживания.

r-стратегия — ставка на количество: очень много потомков, о которых родители не заботятся. Выгодна, когда на вид давит много негативных факторов: хищники, паразиты, высокая конкуренция, суровые условия, и гибель массовая.

K-стратегия — ставка на качество: потомков мало, но о каждом долго заботятся. Складывается там, где гибель не случайна: в ходе естественного отбора выживают более приспособленные.

Признак	r-стратегия	K-стратегия
число потомков	очень много (тысячи, миллионы яиц)	мало (1–2, редко больше)
забота о потомстве	нет: отложили яйца и ушли	развита: растят и учат
половое созревание	раннее	позднее
смена поколений	быстрая	медленная
продолжительность жизни	короткая	долгая
численность на графике	резкий подъём → резкий спад → частичное восстановление	плавный рост и стабилизация
примеры	блохи, саранча, тли, тараканы, мышевидные грызуны, рыба-луна, морские черепахи	человек, слоны, человекообразные обезьяны, морские млекопитающие, крупные хищники (кошачьи)

Рыба-луна за раз откладывает до 300 млн икринок, но выживают единицы — поэтому эта огромная рыба встречается редко. Морские черепахи закапывают яйца в песок и уплывают: из 50 черепашат до моря доходят 5–10, остальных съедают птицы. У человека обычно рождается один ребёнок, но родители долго его растят.

Смена стратегии. K-стратегия может на время смениться r-стратегией: зебры на бедном ресурсами ареале размножаются медленно, а когда корма и воды становится больше, — быстро. Когда ресурсы снова ограничены, популяция возвращается к K-стратегии.

Нажмите «Пустить»: 50 черепашат ползут к морю.

Играr или K? Разложите организмы по стратегиям.

Ловушка ЕНТ

Иногда стратегию определяют по размеру тела: «мелкие — r, крупные — K». Это неверно как правило: огромная рыба-луна — r-стратег (300 млн икринок без заботы). Смотрите на число потомков и заботу о них. А в вопросе «признак, не характерный для K-стратегии» лишний вариант — высокая плодовитость.

Кривые выживания

урок 8двигайте возраст

Возраст: —

Стратегию выживания хорошо видно по кривой выживания — графику, который показывает, сколько особей из 1000 новорождённых доживает до каждого возраста. Различают три типа.

Тип	Как гибнут	Кто
I тип	почти все доживают до старости, гибель — в конце жизни	человек, слоны, крупные млекопитающие (K-стратегия, забота о потомстве)
II тип	гибнут примерно поровну в любом возрасте	многие птицы, гидры
III тип	массовая гибель в начале жизни, до зрелости доживают единицы	рыбы, морские черепахи, насекомые (r-стратегия)

Чем больше забота о потомстве, тем выше кривая в молодом возрасте. Кривая III типа и объясняет, зачем r-стратегам тысячи и миллионы яиц: иначе до размножения не доживёт никто.

Типы взаимоотношений: знаки «+», «0», «−»

урок 8нажимайте на клетки таблицы

Организмы, живущие рядом, постоянно влияют друг на друга. Взаимоотношения бывают трёх типов:

позитивные — один или оба партнёра получают пользу, и никто не страдает;
негативные — один организм вредит другому или губит его (хищник и жертва);
нейтральные — организмы живут рядом, но напрямую друг на друга не влияют.

Симбиоз (греч. sym — вместе, bios — жизнь) — совместная жизнь, форма взаимоотношений, при которой оба организма или один из них извлекают пользу. Термин ввёл Антон де Бари в 1879 году. Формы симбиоза: кооперация, мутуализм, комменсализм, квартиранство.

Тип	Знаки	Суть	Пример
кооперация	++	выгодно обоим, могут жить раздельно	птицы и копытные; рак-отшельник и актиния
мутуализм	++	выгодно обоим, друг без друга обычно не живут	лишайник, микориза
комменсализм (нахлебничество)	+0	одному польза, другому безразлично	рыбы-лоцманы и акула; гиены и львы
квартиранство	+0	один использует другого или его жилище как укрытие	рыба-клоун и актиния; мальки под медузой
хищничество	+−	хищник убивает и поедает жертву	кошки и грызуны, рысь и заяц
паразитизм	+−	паразит долго живёт за счёт хозяина	клещи, глисты, кукушка
конкуренция	−−	борьба за одни и те же ресурсы	два тигра на одном участке
нейтрализм	00	прямого влияния нет	лось и белка в одном лесу

Ещё бывает аменсализм («− / 0»): один вид угнетает другой, сам не получая ни пользы, ни вреда, — например, крона ели затеняет светолюбивые травы.

Строка — что получает первый организм, столбец — второй. Нажмите на клетку.

Лайфхак ЕНТВстретили пример — поставьте каждому партнёру знак «+», «−» или «0». Пара знаков сразу сужает выбор: «+ / +» — кооперация или мутуализм, «+ / 0» — комменсализм или квартиранство, «+ / −» — хищничество или паразитизм.

Взаимная выгода: кооперация и мутуализм

урок 8попробуйте разлучить партнёров

Кооперация — взаимовыгодные отношения («+ / +»), при которых партнёры могут жить и по отдельности.

Птицы и копытные. Птицы выбирают из шерсти насекомых и паразитов, собирают линяющую шерсть для гнёзд, а рядом с крупным зверем хищники не решаются на них напасть. Копытные избавляются от паразитов. Птица проживёт без копытного, а копытное — без птицы.

Рак-отшельник и актиния. Актиния — одиночный коралловый полип, кишечнополостное. Она сидит на раковине рака: стрекательные клетки, словно гарпуны, защищают рака, а актиния подъедает остатки его пищи и «ездит» на новые места кормёжки.

Мутуализм (лат. mutuus — взаимный) — тоже «+ / +», но партнёры, как правило, не могут обойтись друг без друга.

Лишайник — гриб и водоросль: гриб снабжает водоросль водой и минеральными веществами, водоросль отдаёт грибу органические вещества фотосинтеза.
Микориза — симбиоз мицелия гриба и корней растения: гриб даёт воду и минеральные вещества (особенно важно на бедных почвах), растение — органические вещества. Подберёзовик и берёза, подосиновик и осина.
Клубеньковые бактерии и бобовые (горох, фасоль, соя): бактерии связывают азот воздуха и отдают растению его соединения, растение кормит их органическими веществами — взаимовыгодный симбиоз (модель во вкладке 3D).

Ловушка ЕНТ

Кооперация и мутуализм — оба «+ / +», различие одно: могут ли партнёры жить раздельно. Могут (птицы и копытные, рак-отшельник и актиния) — кооперация; как правило, не могут — мутуализм. Эталонные примеры мутуализма на ЕНТ — лишайник и микориза.

Комменсализм и квартиранство

урок 8пустите хищную рыбу

Комменсализм (лат. com — вместе, mensa — стол: «сотрапезничество»), или нахлебничество, — одному виду (комменсалу) польза, другому (хозяину) безразлично: «+ / 0».

Рыбы-лоцманы сопровождают акул, дельфинов и морских черепах: подбирают остатки чужой добычи, а рядом с крупным хищником их не трогают другие хищники. Акуле их присутствие почти безразлично. Гиены доедают остатки добычи, которую не доели львы.

Квартиранство — один вид использует другой организм или его жилище для проживания и укрытия, не вредя ему и не паразитируя. Часто считается разновидностью комменсализма.

Мальки мелких рыб прячутся под зонтиком крупных медуз — под защитой стрекательных щупалец.
Сова живёт в дупле дерева и не вредит ему.
Рыба-клоун живёт среди щупалец актинии: даёт себя слегка ужалить и покрывается слизью, похожей на слизь самой актинии. Актиния «принимает её за свою» и не жалит, а погнавшегося хищника может ужалить. Среди щупалец рыба прячется и откладывает икру.

Наведите на животных или запустите сценку.

ИграКакая это форма симбиоза? Разложите пары.

Ловушка ЕНТ

Одна и та же актиния встречается в двух примерах с разными ответами: на раковине рака-отшельника — кооперация, с рыбой-клоуном — квартиранство. Определяйте тип по партнёру и по тому, кто что получает. А гиена у добычи льва — нахлебничество (комменсализм), не квартиранство.

Хищничество, паразитизм, конкуренция, нейтрализм

урок 8загляните в гнездо

Хищничество («+ / −») — самая распространённая форма отрицательных взаимоотношений: хищник убивает и поедает жертву. Частный случай — каннибализм, поедание особей своего вида: обычно при нехватке пищи и воды; самка богомола может съесть самца.

Значение	Суть
эволюционное	отбор с двух сторон: у жертв — длинные ноги, быстрый бег, боковое (периферическое) зрение, покровительственная окраска, чутьё; у хищников — когти, зубы, зрение, направленное вперёд, острый нюх, бесшумное движение. Неприспособленные погибают
экологическое	хищники сдерживают численность жертв. По распространённой версии, в средневековой Европе истребляли кошек — расплодились крысы (r-стратеги), их блохи разносили чуму

Значение

Суть

эволюционное

отбор с двух сторон: у жертв — длинные ноги, быстрый бег, боковое (периферическое) зрение, покровительственная окраска, чутьё; у хищников — когти, зубы, зрение, направленное вперёд, острый нюх, бесшумное движение. Неприспособленные погибают

экологическое

хищники сдерживают численность жертв. По распространённой версии, в средневековой Европе истребляли кошек — расплодились крысы (r-стратеги), их блохи разносили чуму

Паразитизм (греч. parasitos — нахлебник, «+ / −») — паразит использует хозяина как среду обитания или источник пищи и долго живёт за его счёт, обычно не убивая сразу. Наружные паразиты — клещи, блохи, комары, оводы; внутренние — паразитические черви (глисты) в кишечнике, печени, крови, мышцах. Главная защита — гигиена: мыть руки, овощи и фрукты. Гнездовой паразитизм: кукушка подкладывает яйца в гнёзда более 100 видов птиц; мухи откладывают яйца в гнёзда одиночных ос, и их личинки съедают запас гусениц.

Конкуренция («− / −») — борьба за одни ресурсы: пищу, территорию, укрытия. Самая острая — внутривидовая (у особей одного вида одинаковые потребности): тигр защищает участок от другого тигра. Нейтрализм («0 / 0») — лось и белка в одном лесу не влияют друг на друга, но пожар или засуха скажутся на обоих.

ИграОтрицательные или нейтральные? Разложите пары.

Ловушка ЕНТ

Хищничество и паразитизм — оба «+ / −». Хищник убивает жертву сразу, паразит долго живёт на хозяине или внутри него. Кукушка, клещ, глисты — паразиты, а не хищники.

Ловушка ЕНТ

Иногда думают, что конкуренция острее между разными видами. Это неверно: самая острая — внутривидовая, её называют внутривидовой борьбой за существование. Для двух тигров вариант «межвидовая конкуренция» — ловушка.

Приспособленность к среде

урок 8выберите фактор

Приспособленность (адаптация) — особенности строения, поведения и физиологии, которые повышают выживаемость в данной среде. Приспособленность — результат эволюции. Каждый вид занимает свою экологическую нишу, где борьба за существование менее острая. Заяц-беляк к зиме становится белым — хищники не замечают его на снегу.

Фактор	Приспособления
свет	на глубине мало света — там живут красные водоросли (порфира); на суше в тени леса — теневыносливые растения
влага	в засушливых местах листья видоизменяются, чтобы меньше испарять воду (у кактусов — колючки); суккуленты запасают воду в мясистых листьях (агава, алоэ, очиток) или стеблях (кактусы, молочаи); некоторые животные пустынь впадают в летнюю спячку
температура	от неё зависит скорость химических реакций; у человека температура постоянна — около 36,6 °C (гомеостаз); белые медведи сохраняют тепло благодаря густому меху и толстому слою подкожного жира

Глубина: —

Ловушка ЕНТ

Иногда говорят, что у красных водорослей нет хлорофилла и они фотосинтезируют «красным пигментом вместо него». Это неверно: хлорофилл у них есть, а красный цвет даёт дополнительный пигмент фикоэритрин — он улавливает сине-зелёный свет, который проникает глубоко в воду.

Человек и природа: что спрашивают на ЕНТ

урок 8двигайте годы

Год: 1960

Деятельность человека меняет природу: выбросы CO₂ усиливают парниковый эффект (средняя температура выросла почти на 1 °C), фреоны разрушают озоновый слой, оксиды серы и азота дают кислотные дожди. Если исчезает одно звено пары «хищник — жертва», нарушается равновесие всей экосистемы.

Вопрос	Ответ
истреблены человеком	тарпан (дикая лошадь), странствующий голубь, стеллерова (морская) корова. Лошадь Пржевальского исчезла в дикой природе, но сохранилась в неволе и возвращается в природу. Снежный барс — редкий, но не истреблён
Всемирный банк семян	2008 год, остров Шпицберген (Норвегия): тоннель в вечной мерзлоте длиной более 120 м, −18 °C; цель — сохранить генетическое разнообразие растений на случай катастрофы. Старейший банк семян — в институте имени Н. И. Вавилова (Санкт-Петербург); ещё один крупный — в Западном Суссексе (Великобритания)
Семипалатинский полигон	испытания ядерного оружия; движение «Невада — Семей» (Олжас Сулейменов) добилось закрытия — указ 29 августа 1991 года
Аральское море	обмелело из-за бесхозяйственного забора воды Сырдарьи и Амударьи на орошение хлопка и риса; разделилось на части, соль с обнажённого дна разносит ветер
Каспийское море	авария на нефтяной буровой может погубить осетровых (занесены в Красную книгу, вылов запрещён)

ИграИстреблён человеком или сохранился? Разложите виды.

Популяция и её показатели

урок 9посчитайте сайгаков

Вид — совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство.

Популяция — совокупность особей одного вида, которые длительное время обитают на одной территории (части ареала вида).

Популяции изучает демэкология (от греч. demos — народ): как факторы среды действуют на популяцию и как меняется её численность. Например, как саванна и львы влияют на популяцию зебр.

Показатель	Что это
численность	количество особей в популяции
прирост	разница между рождаемостью и смертностью: родившиеся − умершие
темп прироста	прирост за единицу времени (день, месяц, год)
плотность	число особей на единицу площади; для водных и почвенных организмов — на единицу объёма
возрастная и половая структура	доли молодых, взрослых и старых особей; соотношение самцов и самок

Численность: 400 Площадь: 50 км² Родилось за год: 120 Погибло за год: 70

Возрастная структура подсказывает будущее популяции. Если молодых особей много (широкое основание пирамиды) — популяция растёт; если молодых и взрослых примерно поровну — стабильна; если молодых мало, а старых много — сокращается. Слева — самцы, справа — самки: так видна половая структура.

ФормулыПрирост = родилось − погибло. Темп прироста = (родилось − погибло) : время. Плотность = численность : площадь (или объём).

Ловушка ЕНТ

«Разница между рождаемостью и смертностью» — это прирост. Темп прироста — та же разница за единицу времени. Численность — просто число особей, плотность — число особей на площадь. А определение «сходны по строению, свободно скрещиваются, дают плодовитое потомство» — это вид, а не популяция и не род.

Динамика численности: J- и S-кривые

урок 9включите дожди для зебр

Численность популяции постоянно меняется. Её динамику определяют три характеристики:

Биотический (репродуктивный) потенциал — способность популяции к размножению: быстро или медленно она увеличивает численность.
Сопротивление среды — ограничение роста нехваткой ресурсов (воды, пищи, укрытий), а также хищниками, болезнями, конкуренцией.
Ёмкость среды — предельная численность, которую среда может долго поддерживать: численность стабильна, а прирост близок к нулю.

Пример: в саванне 100 зебр, а воды хватает на 80. Ёмкость среды — 80, сопротивление среды не даст выжить «лишним» 20 зебрам. После ливней воды хватает уже на 150 — и зебры быстро размножаются, пока не заполнят новую ёмкость.

Признак	J-образная (экспоненциальная)	S-образная (сигмоидальная)
ход роста	резкий, мощный взлёт, затем резкое падение	медленно → быстро → замедление и плато
связь с плотностью	высокая численность не удерживается	чем больше особей, тем ниже скорость роста
стратегия	r-стратегия	K-стратегия
примеры	бактерии, одноклеточные водоросли, дрожжи	слоны, обезьяны, человек

Бактерии в хороших условиях делятся каждые 20 минут: 1 → 2 → 4 → 8 → 16… — это геометрическая прогрессия. Экспоненциальный рост бывает и у K-стратегов — после попадания в новую среду, при улучшении условий или новой адаптации.

ИграJ-образная или S-образная? Разложите карточки.

Ловушка ЕНТ

Пары кривых и стратегий часто переставляют. Верно: J-образная — r-стратегия, S-образная — K-стратегия. Бактерии, дрожжи и одноклеточные водоросли — J; выход численности на плато — признак S. Буква K и обозначает ёмкость среды.

Колебания «хищник — жертва»

урок 9пройдите цикл

Численности хищника и жертвы связаны. Пример: зайцы (жертва) и волки, лисы, рыси (хищники).

Жертв много — пищи хватает, численность хищников начинает расти.
Хищников много — они съедают много жертв, численность жертв падает.
Жертв мало — хищникам не хватает пищи, их численность тоже падает.
Хищников мало — жертвы быстро размножаются, цикл повторяется.

ЗапомнитеНа графике кривая хищника отстаёт от кривой жертвы: сначала растёт число жертв, потом — хищников. Такие колебания — популяционные волны. Живая модель — во вкладке «Симуляция», опыты 3 и 4.

ИграРасставьте события по порядку, начиная с роста численности зайцев.

Ловушка ЕНТ

Иногда пишут, что численности хищника и жертвы растут и падают одновременно. Это неверно: пик хищников наступает позже пика жертв. А характеристика «численность хищника опережает численность жертвы» — тоже ловушка.

Поток энергии и экологические пирамиды

урок 9переключите пирамиды

Энергия продуцентов: 10 000 кДж

Трофические уровни изображают в виде экологических пирамид. Впервые такую графическую модель в 1927 году предложил английский эколог Чарльз Элтон. Известны три вида пирамид:

Пирамида	Что показывает
численности (чисел)	число особей на каждом трофическом уровне; бывает перевёрнутой (на одном дереве — тысячи насекомых)
биомассы	массу продуцентов и консументов на каждом уровне
энергии	количество энергии, проходящее через каждый уровень за единицу времени; не бывает перевёрнутой

Правило 10 %: на следующий уровень в среднем переходит около десятой части энергии, остальное тратится на дыхание, движение и уходит теплом. Правило описывает средние величины за долгий срок (месяцы, годы). Биологическая продуктивность — количество органических веществ, образующихся в экосистеме за единицу времени.

Ловушка ЕНТ

Пирамида, показывающая количество отдельных организмов на каждом уровне, — пирамида численности (чисел). Биомасса — масса, энергия — килоджоули. «Пирамиды питания» среди трёх видов нет — это лишний вариант.

Круговорот веществ и круговорот углерода

урок 9нажимайте на стрелки

Биогеохимический круговорот (биотический круговорот, биогенная миграция атомов) — повторяющийся переход химических элементов из неживой природы в живые организмы и обратно. Самый наглядный пример — круговорот воды: испарение, облака, дождь, реки. Так же циркулируют углерод, азот и другие элементы.

Углерод входит в состав всех органических веществ: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот, витаминов. Каждая органическая молекула построена на углеродном скелете.

Процесс	Что происходит с углеродом
фотосинтез	растения забирают CO₂ из воздуха и строят органические вещества
питание	углерод органических веществ переходит к консументам
дыхание	органика окисляется, лишний углерод уходит с выдохом в виде CO₂
разложение	редуценты (бактерии, грибы) разлагают остатки до CO₂
отложения	часть органики накапливается в угле, торфе, нефти
горение	при сжигании топлива углерод снова уходит в атмосферу как CO₂

CO₂ в воздухе (модель)—

Нажмите на стрелку процесса.

ИграЧто происходит с углеродом? Разложите процессы.

Ловушка ЕНТ

CO₂ в атмосферу возвращают дыхание, разложение и сжигание топлива. Фотосинтез и хемосинтез, наоборот, связывают CO₂. Образование торфа и угля, рост древесины — накопление углерода, а не его возврат в воздух.

Круговорот азота

урок 9пройдите по кругу

Нажмите на станцию или «По кругу». Подробно по шагам — во вкладке «Механизм».

Азот (N) — обязательный компонент белков и нуклеиновых кислот. В атмосфере около 78 % азота, но ни животные, ни растения не усваивают N₂ из воздуха: растения берут соединения азота из почвы — прежде всего нитраты.

Фиксация	Как идёт	Итог
атмосферная (физическая)	молния: N₂ → оксид азота; с водой — азотная кислота, дождь несёт её в почву	нитраты NO₃⁻
биологическая	клубеньковые бактерии (в корнях бобовых) и цианобактерии связывают N₂	аммиак NH₃

Бактерии	Что делают
азотфиксирующие	N₂ воздуха → аммиак (воздух → почва, растения)
аммонифицирующие	белки, мочевина, остатки → аммиак
нитрифицирующие	аммиак → нитриты NO₂⁻ → нитраты NO₃⁻ (хемосинтез)
денитрифицирующие	нитраты → N₂, азот уходит в атмосферу

ИграРасставьте превращения азота от отмерших организмов до возвращения в атмосферу.

ИграКакие бактерии это делают?

Ловушка ЕНТ

Нитрифицирующие и денитрифицирующие отличаются приставкой, а процессы противоположны: первые окисляют аммиак до нитратов и оставляют азот в почве, вторые восстанавливают нитраты до N₂ и возвращают азот в воздух.

Ловушка ЕНТ

Биологическую фиксацию азота ведут клубеньковые бактерии (и цианобактерии). Сами бобовые азот не связывают. Хемосинтезирующие и водородные бактерии в вариантах — лишние: N₂ они не фиксируют, а денитрифицирующие возвращают его в воздух.

Вопросы в конце урока

уроки 8–9ответьте и переверните

Типичные вопросы ЕНТЭти вопросы разбирают в конце уроков. Ответьте мысленно и переверните карточку.

Модели и схемы упрощены для обучения, значения в симуляции учебные.