Популяциялар экологиясы – демэкология

Полярлық және тропиктік аймақтарды есептемей, тек қоңыржай белдеуді алатын болсақ 1м жер бетіне түсетін күн сәулесінің қуаты тәулігіне 3000-4000 калория, жылына 1,1-1,5 миллион калория, 1 гектар жерге орта есеппен жылына 10 миллиард килокалория болады. Осыншама энергияның 30 пайызы жер бетінен кері қайтып атмосфераға тараса, 46 %-ы жылуға айналып, 23 %-ы жауын-шашын болуына, судың булануына, 0,2 % жел, дауыл, су ағыстарына кетіп, тек 0,8 % ғана фотосинтез процесіне жұмсалады.

Жануарлар пайдаланған энергияның 80-90 пайызын (тыныс) алуға, жылынуға, өмір сүруге, тек 5-10 пайызын жаңа (қосымша) өнім өндіруге жұмсайды.

Тірі жүйелердің маңызды термодинамикалық сипаттамасы олардың ішкі реттілігінің жоғары дәрежеде болуы. Ол энтропиямен сипатталады және S әрпімен белгіленеді. Ішкі реттілігі мен ұйымдасуы жоғары жүйелердің энтропиясы төмен, ал керісінше тепе-теңдіктегі жүйелердің энтропия шамасы жоғары болады.

Термодинамикалық тұрғыдан экожүйелер қоршаған ортамен үнемі зат және энергиямен алмасып отыратын және осы арқылы ішкі энтропиясын төмендетіп, сыртқы энергиясын арттыратын ашық, тепе-теңдігі жоқ жүйе болып табылады.

1935 жылы атақты биолог  Э. Бауэр былай деді: «Тірі жүйелер  еш уақытта тепе-теңдікте болмайды  және өзінің бос энергиясы  есебінен үнемі сыртқы орта  жағдайларына сай физика мен  химия заңдары талап ететін  тепе-теңдікке қарсы жұмыс жасайды. Бұл принципті тірі жүйелердің тұрақты теңсіздік принципі деп атайды. Бұл принцип тірі ағзалардың ашық теңсіздіктегі жүйе екендігін көрсетеді. Олардың өлі жүйелерден ерекшелігі, олар энтропияның төмендеуі бағытында дамиды.

Биоценоздың трофикалық құрылымы (продуценттер, консументтер, редуценттер).

Экожүйедегі ағзалар трофтық (қоректік) байланыстарына қарай өндірушілер, консументтер мен редуценттерге бөлінеді.

Өндірушілер (бірінші ретті өнімді өндірушілер) – автотрофты ағзала – планетаның бүкіл тірі дүниесін органикалық затпен қамтамасыз ететін жасыл өсімдіктердің жинағы.

Консументтер (латын тілінен аударғанда – пайдалану) – гетеротрофты ағзалар, өндірушілер жануарлар, микроорганизмдердің көпшілігі, бунақдене- қоректі өсімдіктер жатады. Консументтер бейорганикалық заттардан органикалық зат түзбейді, бірақ бір органикалық затты басқа затқа айналдырады.

Редуценттер (латын тілінен аудар,анда – қалпына келтіруші, деструкторлар) органикалық заттарды ыдыратушы және оларды бейорганикалық заттарға айналдырушыағзалар. Редуценттерге бактериялар, саңырауқұлақтар, сацпрофагтар, конпрофагтар, некрофагтар және т.б. жатады. Олар заттардың биологиялық айналымының соңғы звеносы болып табылады. (4.2-сурет).

Тундралық, орманды, далалық, шөлді және тропиктік бірлестіктердің әрқайсысының өзіне тән биологиялық айналымы мен қоршаған ортамен байланысы болады. Су экожүйелері де ауқымы бойынша да, тіршілік ету жағдайлары бойынша да: судың тұздылығы, су қоймасының тереңдігі, судың мөлдірлігі, күн энергиясының түсуі бойынша да алуан түрлі болып келеді. Бұлардың барлығы биологиялық айналымның жылдамдығына да, циклге қатысатын заттардың жалпы санына да әсер етеді.  

Экожүйелердің тұрақтылығының негізге принципі – энергия ағымымен ұсталып тұратын зат айналымы – Жердегі мәңгі тіршілікті қамтамасыз етеді

Бұл принцип бойынша тұрақты жасанды экожүйелер, өндірістік технологиялар ұйымдастырылауы мүмкін. Биоценоздағы ғзалардың үйлескен қызметінің бұзылуы, әдетте, экожүйедегі зат алмасуыдың өзгеруіне әкеліп соқтырады. Бұл топырақ құнарлылығының, өсімдіктердің өнімділігінің, жануарлардың өсуі мен өнімділігінің төмендеуіне, табиғи ортаның біртіндеп бұзылуының негізгі себебі болып абылады.

  Қоректік тізбектер және трофикалық деңгейлер, қоректік торлар. Биоценоздардағы қоректік торлар көптеген қысқа қатарлардан түзіледі. Бұл қатарларда ағзалар бір-біріне заттар мен жасыл өсімдіктер жинаған энергияны беріп отырады. Алдыңғы түр келесі түр үшін азық болып табылатын мұндай қатарларды қоректену тізбегі деп атайды. Қоректену тізбегінің жеке звенолары трофтық деңгейлер деп аталады.

Күннен энергияны бірдей сатылар арқылы алатын ағзалар бір трофтық деңгейге жатады. Жасыл өсімдіктер (автотрофтар) бірінші трофтық, екінші – бірінші ретті консументтер, биоқоректілермен қоректенетін бірінші реттік жыртқыштар-үшінші (екінші реттік консументтер), екінші ретті жыртқыштар – төртінші (3-ші ретті консументтер) деңгейді құайды

Қоректік тізбектер бір-бірімен тығыз байланысты. Олар қоректену торын түзеді. Әр өндірушіден (продуцент) бірнеше консумент болады. Ал консументтердің көпшілігі полифагтар (грек тілінен аударғанда – көп), яғни бір емес, бірнеше қоректену көзін пайдаланады.

Көптеген түрлер әр түрлі қоректік тізбектерге кіруі және әр түрлі орында болуы мүмкін. Мысалы, аюлар өсімдіктермен де, жануарлармен де, өлекселермен де қоректенеді. Олар трофтық қатынастармен, көптеген жануарлар мен өсімдіктердің түрлерімен байланысқан. Қоректік тізбектер табиғатта күрделі шиеленісіп кеткен.

Нақты қоректік тізбектерде өсімдік текті тамақтағы энергияның берілетін мөлшерін есептеуге және тасымалдауын бақылауға болады.

Энергия тасымалдау кезінде қоректік тізбектердегі қатынастар нәтижесінде әрбір бірлестік белгілі бір трофтық құрылымға ие болады.

Экологиялық пирамидалар (сандар, биомасса, энергия пирамидасы). Жалпы жағдайда трофтық құрылымды кезекті трофтық деңгейлердегі уақыт бірлігіндегі аудан бірлігіне шаққан энергия шамасымен анықтауға болады. Оларды экологиялық пирамида түрінде кескіндеуге болады. Бұл құбылысты зерттеген Ч. Элтон (1927ж.) экологиялық пирамиданың үш негізгі типін бөліп көрсететді (4.4-сурет).

1.Сандар пирамидасы (м²/даралар саны) әр түрлі трофтық деңгейдегі ағзалардың санын көрсетеді. Орманның жайылымдық қоректік тізбегінде, продуцент – ағаш, ал бірінші ретті консумент – бунақ денелілер болғанда, бірінші реттік консументтердің деңгейі саны жағынан өндірушілер деңгейімен салыстырғанға байланысты. Бұл кезде сандар пиамидасы кері болады.

2. Биомассалар пирамидасы әр түрлі торфтық деңгейдегі тірі заттың жалпы құрғақ массасын сипаттайды (органикалық заттардың құрғақ массасы г/ м²). Өндірушілері өте ұсақ және консументтері ірі болған экожүйелерде соңғысының жалпы массасы барлық кезде продуценттердің жалпы массасынан жоғары болады, яғни биомасса пирамидасы да кері болады.

3. Энергия пирамидасы (Дж/ м² жыл) кезекті трофтық деңгейлердегі энергия ағынының шамасын немесе «өнімділігін» көрсетеді. Энергетикалық пирамида барлық кезде жоғары қарай сүйірленеді. Бірақ тамақпен бірге жұйеге түсетін барлық энергия көздері есепке алынуы керек.

Экожүйелердің өнімділігі (бастапқы және туындаушы өнім). Бірлестіктерге тән қасиет – олардың жаңа биомасса жасауға қабілеті болып табылады. Бұл қасиет жүйенің өнімділігі ұғымының негізінде жатыр.

Экожүйелердегі органикалық заттың жасалу жылдамдығын – биологиялық өнімділік деп атайды. Тірі ағзалардың денесінің массасы биомасса деп атайды. Экожүйенің биологиялық өнімділігі – бұл олардағы биомассаның жасалу жылдамдығы.

Бірінші реттік өнімділік деп, бірінші реттік өндірушілердің биомассасының түзілу жылдамдығын айтады. Бұл маңызды көрсеткіш. Себебі ол экожүйенің биотикалық компоненті арқылы өтетін жалпы энергия ағынын, яғни экожүйеде мүмкін болатын тірі ағзалардың санын анықтайды. 100% күн энергиясының шамамен 1% - ы ғана хлорофилл сіңіреді де, органикалық молекулалардың синтезіне пайдаланады (қалған 99%-ы күн энергиясы шағылысады, жылуға айналып сіңіріледі немес суды буландыруға жұмсалады).

Өсімдіктердің энергияны жинау (химиялық байланыстар энергиясы түрінде) жылдамдығын жалпы бірінші реттік өнім деп атайды (ЖБӨ). Шамамен бұл энергияның 20%  өсімдіктер тыныс алуға және басқа тіршілік қызметіне жұмсайды. (R)

Тыныс алу мен басқа да тіршілік процестеріне жұмсалатын энергияны алып тастағандағы органикалық заттың жиналу жылдамдығын таза бірінші реттік өнім (ТБӨ) деп атайды: 

ТБӨ= ЖБӨ - R

Қоректену кезінде тамақ (зат пен энергия) бір трофтық деңгейден екіншісіне өтеді. Қорытылмаған тамақты жануарлар экперименттерімен сыртқа шығарады (мұнда да органикалық затқа жиналған энергияның белгілі бір мөлшері болады).

Жануарлар да өсімдікер тәрізді энергияның бір бөлігін тыныс алу мен басқа да тіршілік процестеріне жұмсайды. Тыныс алу, ас қорыту және экскрецияға кеткен шығыннан басқа қалған энергия өсуге, тіршілігін ұстап тұруға және көбеюге жұмсалады.

Гетеротрофты ағзалардың органикалық заттарды жинау жылдамдығын екінші ретті өнім (ЕӨ) деп атайды. Екінші ретті өнім барлық трофтық деңгейлерде болады.

Консументтердің энергетикалық байланысы төмендегі сызба бойынша түзіледі:

Пайдаланған тамақ = өсу + тыныс лау + және басқа тіршілік процестері + экскременттер

немесе

Р = П + R + Н.

мұндағы: Р – консументтің рационы, яғни белгілі бір уақытта жейтін тамақ мөлшері, энергия бірлігіне берілген;

П – ағзаның өсуіне жұмсалатын энергия;

R – тыныс алу және  басқа тіршілік процестеріне  жұмсалатын энергия;

Н – экскременттер түрінде шығарылған, қорытылмаған тамақтың энергиясы.

Қоректік тізбектің әр звеносында энергияның бір бөлігі басқа түрге өтеді.Шамамен бұл шығын қоректену тізбегі арқылы энергияның әрбір беріліуі кезінде 90% - ға жуық болады. Егер өсімдік ағзасының бірінші реттік өнімі 1000Дж.болса, оны шөпқоректі жануарлар толық пайдаланса, жануардың денесінде оның бар болғаны 100 Дж.,жыртқыштың денесінде бар болғаны 10Дж.,егер жыртқышты басқа жыртқыш жесе, онда оның үлесіне тек 1Дж тиеді.

Экожүйелердің табиғи дамуы: бастапқы және қайталанған сукцессиялар. Кез келген экожүйе динамикалық болып табылады. Онда үнемі оның негізгі компонеттерінің тіршілік әрекеттері мен күйі, популяциялардың арақатынасы өзгеріске ұшырап отырады. Экожүйелерге тән ерекшелік олардың тәуліктік, маусымдық және көпжылдық динамикасының болуы.

Тәуліктік динамика. Әрбір биогеоценозда тіршілігінің белсенділігі тәуліктің әр түрлі уақытына сәйкес келетін ағзалар тобы болады. Біреулер түнгі уақытта белсенді, ал күндіз тығылып жатады. Басқалары түнде пассивті. Олай болса, экожүйенің жеке популяциялық арақатынасы мен құрамында периодты өзгерістер болып тұрады. Тәулік динамиканы тек жануарлар ғана емес, өсімдіктер де қамтамасыз етеді. Тәуліктік ырғақтар барлық бедеулердің, тропиктерден тундраға дейінгі бірлестіктерінде байқалады.

Экожүйелердегі тәуліктік өзгерістерде неғұрлым күн мен түн кезіндегі температура, ылғалдылық және басқа факторлардың айырмашылығы көп болса,соғұрлым күштірек көрінеді.

Мысалы, тәуліктік миграциялар, әсіресе теңіз планктонына тән. Каспий теңізінің зоо және фитопланктонының өкілдері күндіз 100-350 м тереңдікте болса, түнде беткі қабаттарға қарай көтеріледі.

Маусымдық динамика. Тек белсенділік күйінің өзгеруі ғана емес, көбею циклы, маусымдық миграциялар және т.б.байланысты жеке түрлердің сандық арақатынасын өзгеруі арқылы көрінеді. Жыл мезгілінің ауысуы өсімдіктер мен жануарлардың тіршілік қызметіне әсер етеді (гүлдеу кезеңі, жеміс беру, белсенді өсу, жапырақ түсіру, өсімдіктердің қыстық тыныштық күйі, жануарлардың қысқы және жазғы ұйқыға кету,миграция) маусымдық динамикаға экожүйенің белдеулік құрылымыгна ұшырайды; жылдың белгілі бір маусымында өсімдіктердің жекеленген белдеулері толық жойылып кетуі мүмкін. Мысалы, бір жылдық өсімдіктерден тұартын шөптесін белдеу. Маусымдық өзгерістерді 4.1-кестедегі үлгімен бақылауға болады.

Көпжылдық динамика. Кез келген экожүйенің өміріндегі қалыпты құбылыс. Ол жылдар бойынша бірлестікке әсер ететін климаттық және басқа да сыртқы факторлардың өзгеруіне байланысты болады. Сонымен қатар, көржылдық, периодтылық эдификатор (латын тілінен аударғанда – құрылысшы) - өсімдіктердің тіршілік циклінің көпжылдық периодтылығына, жануарлар мен өсімдіктер үшін патогенді микроорганизмдердің жаппай көбеюінің қайталануына және т.б. байланысты болуы мүмкін.

Экологиялық сукцессиялар. Бірлестіктердің құрылымы белгілі бір уақыт барысында, біртіндеп қалыптасады. Мысалы, вулканнан кейінгі аралдағы бірлестіктің даму моделін қарастырайық. Ағаштар мен бұталар жалаңаш, жартасты жыныста өсе алмайды. Себебі, оларға қажет топырақ жоқ. Ал балдырлар мұндай территорияларға қоныстанып, пионерлік бірлестік түзуге қабілетті. Ағзалардың біртіндеп жиналуы мен тау жыныстарының эрозияға ұшырауының топырақ қабаты түзіледі.

Мұндай топырақ қабаты мүктер мен папоротниктердің өсуіне мүмкіндік береді. Кейін аталған өсімдіктерден соң қоректік заттарға сұранысы жоғары өсімдіктер- тұқымды өсімдіктер, соның ішінде шөптер, бұталар, ағаштар қоныстанады. Белгілі бір уақытта жердегі бір биоценоздың екіншісімен алмасуын сукцессиялар деп атайды (латын тілінен аударғанда – бір ізділік, тұқым қуалау, кезектесу, ауысу). «Сукцессия» ұғымын 1898 жылы Г. Каулсон енгізген. Қоршаған ортамен тепе-теңдікте болатын, тұрақты соңғы бірлестік-климаксты бірлестік деп аталады.

Климакс (грек тілінен аударғанда –баспалдақ) – берілген орта жағдайындағы экожүйенің дамуының соңғы тұрақты күйі. «Климакс» ұғымын 1916 жылы Ф. Климентс ұсынған.

Жалаңаш тау жынысы немесе топырағы жоқ беттің (мысалы, құм, бұрынғы мұздықтың орны) қоныстануынан басталатын сукцессия типін-бірінші реттік деп атайды. Екінші реттік сукцессия өсімдіктері аз, бірақ бұрын тірі ағзалардың әсеріне ұшыраған және органикалық заты бар жерде басталады. Мысалы, кесілген орман, күйген жер, тастап кеткен егіс танабы. Бұл жердегі топырақта тұқымдар, споралар, вегетативтік көбею мүшелері сақталу мүмкін.