Съобщества и биоразнообразие
🌋 През ноември 1963 г. рибари южно от Исландия виждат стълб от дим над морето. Подводен вулкан изригва няколко години и изгражда нов остров – Сърцей. Учените решават да го оставят на природата: стъпват на него само изследователи с разрешение, които внимават да не донесат и едно . Още през 1965 г. на брега поникват първите растения, донесени от морето. После идват и лишеи, птици гнездят и с тора си наторяват пепелта, а днес на острова растат няколко десетки вида висши растения. Кой пристига пръв, кой след него и защо на голите острови видовете винаги са по-малко, отколкото на континента?
1. Съобществото
Животът е подреден на нива: организъм → → съобщество → → . Популация са индивидите от един вид на едно място (виж Популации). Съобществото (биоценозата) са всички популации от различни видове, които живеят заедно и си влияят – растения, животни, и микроорганизми в една дъбова гора или в едно езеро. Съобществото заедно с неживата среда (почва, вода, климат) е екосистема – за потоците на енергия и веществата в нея виж Екосистеми и потоци на енергия.
Строеж на съобществото
Етажите се дължат на светлината: горният етаж поема по-голямата част от нея, а под него растат сенкоиздръжливи растения. Затова в тъмната букова гора тревистите растения са малко, а в по-светлата дъбова – повече. Етажите на растенията създават етажи и за животните: едни птици търсят храна по върховете на дърветата, други – по стволовете, трети – по земята.
2. Екологична ниша и конкуренция
Местообитанието е „адресът“ на вида – мястото, където живее. Екологичната ниша е неговата „професия“: всички условия и ресурси, които му трябват, и ролята му в съобществото – при каква температура и влажност живее, с какво се храни, кога е активен, къде се размножава. Американският еколог Джордж Ивлин Хътчинсън описва нишата като област в многомерно пространство с толкова оси, колкото са факторите.
Принцип на конкурентното изключване
Принципът е свързан с името на руския биолог Георгий Гаузе. През 1934 г. той отглежда два вида чехълчета (Paramecium aurelia и P. caudatum) поотделно – и двата вида растат добре – и заедно в една епруветка с за храна: след няколко седмици остава само P. aurelia. Ако единият вид може да се храни на място, където другият не стига, двата вида съжителстват.
Нишата, която видът би заел сам, е фундаментална; нишата, която действително заема заради конкурентите и хищниците, е реализирана. Класически пример е опитът на Джоузеф Конъл (1961 г.) с два вида морски желъди по скалите на Шотландия: единият живее само в горната зона, която водата залива рядко, а другият – по-надолу. Когато Конъл махал долния вид, горният се заселвал и надолу – там го е изтласквала конкуренцията, а не условията.
Пример
Пет вида горски певци живеят в едни и същи смърчови гори в Северна Америка и се хранят с едни и същи насекоми. Как съжителстват?
- Робърт Макартър (1958 г.) наблюдава къде точно търси храна всеки вид.
- Видовете се хранят в различни части на дървото: по върха, по външните клонки, във вътрешността на короната, по долните клони.
- Освен това се различават по начина на ловуване и по времето на гнездене.
- Така нишите им се припокриват само отчасти – ресурсът е „разделен“ и конкуренцията е отслабена. Това разделяне на ресурсите е често следствие от естествения отбор.
3. Взаимоотношения между видовете
Отношенията между два вида се описват с това дали всеки от тях печели (+), губи (−) или не се влияе (0). Тесните и дълги съжителства на два вида се наричат симбиоза в широкия смисъл – тя може да е и взаимноизгодна, и паразитна.
| Отношение | Знак | Примери |
|---|---|---|
| конкуренция | − / − | две треви за светлина и вода; лъв и петниста хиена за плячка |
| хищничество | + / − | вълк и елен; калинката и листните въшки; растителноядните и растенията |
| паразитизъм | + / − | кърлеж и куче; тения и човек; имел върху дърво |
| мутуализъм | + / + | лишей; микориза; пчела и цвят; грудкови бактерии и бобови растения |
| коменсализъм | + / 0 | морски желъди по кожата на кит; растения епифити по клоните в тропиците |
| аменсализъм | − / 0 | плесента Penicillium потиска бактериите около себе си |
Хищникът убива жертвата и я изяжда; паразитът обикновено живее дълго в или върху гостоприемника и рядко го убива бързо. Как численостите на хищника и жертвата се люлеят заедно, виж в Популации. Добре познати мутуалисти са и от Микроорганизми и гъби. Взаимоотношенията движат и еволюцията: растенията развиват отрови, растителноядните – начини да ги обезвредят; цветовете и се приспособяват едни към други (коеволюция).
4. Ключови видове
През 1963 г. американският еколог Робърт Пейн започва прост опит по скалистия бряг на щата Вашингтон: от един участък редовно махал морските звезди Pisaster, които ядат миди и морски желъди. Мидите бързо заемат цялата скала и изтласкват останалите видове: по описанието на Пейн (1966 г.) видовете в участъка намаляват от 15 на 8, докато на съседните скали със звезди остават всички. Хищникът не е намалявал разнообразието, а го е пазел – като не е давал на най-силния конкурент да заеме всичко.
Ключов вид
Ролята на един вид не винаги е ясна. Например за връщането на вълците в Йелоустоун през 1995 г. често се разказва, че е „върнало“ върбите и реките, но изследванията показват, че верижните последици са по-сложни и по-слаби, отколкото в популярната версия. В простите истории трябва да се проверяват с опити.
5. Сукцесия
Съобществата не са неподвижни. Сукцесията е закономерната смяна на едни съобщества с други на едно място. Всеки етап променя средата – почвата, светлината, влагата – и така подготвя условия за следващите видове, които после изтласкват създателите си.
Първична и вторична сукцесия
Вторичната сукцесия започва върху готова почва, пълна със семена и корени, затова гората се връща за десетилетия до около век и половина. Броят на видовете е най-голям в средата на сукцесията, когато се срещат растения и от ранните, и от късните етапи; биомасата расте почти до края.
💡 Етапите и годините са ориентировъчни – за ниските части на България. Скоростта зависи от климата, почвата, наличието на семена наблизо и от животните. Климаксът не е вечно неподвижен: бури, пожари и болести непрекъснато отварят „прозорци“, в които сукцесията започва отначало.
Пионерните видове обикновено растат бързо, имат много дребни семена, които вятърът носи далеч, и обичат светлина. Климаксните растат бавно, търпят сянка и живеят дълго. По хода на сукцесията и почвата се увеличават, а видовото разнообразие често е най-голямо в средните етапи. Ако сукцесията се прекъсне – с косене, паша или пожар, – съобществото се връща назад: затова планинските ливади и пасища в България зарастват с храсти, когато овцете и кравите изчезнат.
6. Биоразнообразие и как се измерва
Биоразнообразието е разнообразието на живота на три нива: генетично (различни в популациите на един вид), видово и екосистемно (гори, ливади, езера, рифове). Описани са около 2 милиона вида, но истинският брой е много по-голям – по различни оценки само са около 8–9 милиона вида, а за бактериите оценките са още по-несигурни. Как се подреждат видовете по групи, виж в Класификация на организмите.
Най-простата мярка е видовото богатство S – броят на видовете. Но едно съобщество с 5 еднакво чести вида и друго, в което един вид е 96 %, имат еднакво S, а не са еднакво разнообразни. Затова индексите на разнообразие отчитат и изравнеността – колко еднакво са разпределени индивидите между видовете.
Индекси на разнообразие
D = 1 − Σ n(n − 1) / (N(N − 1)) · H′ = −Σ p · ln p · J = H′ / ln S
И в двата квадрата има по 6 вида и по 120 растения, но в Б детелината е 95 от 120. Видовото богатство е еднакво, а разнообразието – не: ако вземеш две растения наслуки от Б, най-често и двете са детелини.
💡 Индексът на Симпсън D е вероятността две растения, взети наслуки (без връщане), да са от различни видове – от 0 (един вид) до почти 1. Индексът на Шанън H′ расте и с броя на видовете, и с изравнеността; при S еднакво честите вида е най-голям: ln S. Изравнеността J = H′ / ln S е 1, когато всички видове са еднакво чести. Плъзгачите са подредени като цветовете в легендата.
Пример
В проба от езеро има 3 вида водни бълхи: 50, 30 и 20 индивида. Пресметнете приблизителния индекс на Симпсън и индекса на Шанън.
- Дялове:
- Симпсън: ,
- Шанън:
- Най-голямото възможно при 3 вида е , така че – видовете са доста изравнени.
За сравняване на две съобщества се използва коефициентът на сходство на Сьоренсен , където и са броят на видовете във всяко, а – общите видове. При видовият състав е еднакъв, при няма общи видове.
7. Острови, площ и раздробяване
По-голямата територия има повече видове: в нея има повече различни местообитания, а популациите са по-големи и изчезват по-трудно. Тази зависимост е едно от най-сигурните правила в екологията.
Закон видове–площ
Робърт Макартър и Едуард Уилсън (1967 г.) обясняват броя на видовете на островите като равновесие: на острова непрекъснато пристигат нови видове от континента и изчезват някои от заселилите се. Колкото повече видове има вече, толкова по-рядко идва нов и толкова по-често някой изчезва. Двете скорости се изравняват при равновесния брой видове . Близките острови се заселват по-бързо, а на големите изчезването е по-бавно.
I = I₀(1 − S/P), E = E₀ · S/P → S* = P · I₀ / (I₀ + E₀) = 100 · 8,67 / (8,67 + 2,39) = 78,4
Голям и близък остров: много нови видове пристигат, а малко изчезват – равновесието е близо до целия континентален набор.
💡 Моделът на Макартър и Уилсън (1967 г.) е силно опростен: правите линии и числата за скоростите тук са примерни. Важното е качественото: заселването намалява с разстоянието до континента, а изчезването е по-бързо на малките острови. Показателят z в закона видове–площ е около 0,15–0,35 – по-голям за истински острови, по-малък за части от континент. „Острови“ са и планинските върхове, езерата и парчетата гора сред нивите.
„Острови“ са и парчетата гора сред нивите, защитените територии сред градовете, върховете на планините. Когато голяма гора се раздроби (фрагментация), всяко парче има по-малко видове, а и ръбът му се променя: там е по-светло, по-сухо и по-ветровито, идват видове от полето. Затова за опазването на видовете обикновено е по-добре една голяма защитена територия, отколкото много малки със същата обща площ, и е важно парчетата да са свързани с екологични коридори – ивици гора, живи плетове, проходи под магистралите.
8. Биоми и височинни пояси
Биомите са големите типове съобщества на сушата, определени главно от климата – температурата и валежите.
| Биом | Климат | Растителност |
|---|---|---|
| тундра | студено, кратко лято, вечно замръзнала почва | мъхове, лишеи, джуджеви храсти |
| тайга | студена дълга зима, топло кратко лято | иглолистни гори – смърч, ела, бор, лиственица |
| широколистни гори | умерен, с четири сезона | дъб, бук, габър, липа – листопадни |
| степ | умерен, сух | треви; почти без дървета |
| средиземноморски | горещо сухо лято, мека влажна зима | вечнозелени твърдолистни храсти и дървета |
| пустиня | много малко валежи | сукуленти, растения с кратък живот след дъжд |
| савана | горещо, дъждовен и сух сезон | треви с отделни дървета |
| тропическа дъждовна гора | горещо и влажно целогодишно | многоетажна вечнозелена гора – най-голямо разнообразие |
Изкачването в планината прилича на пътуване към полюса: с всеки 100 m височина температурата пада средно с около 0,6 °C. Затова в Рила и Пирин растителността се сменя на пояси – приблизително: дъбови гори в ниските части, над тях букови, после иглолистни (бял и черен бор, смърч, ела, бяла мура, а в Пирин и черна мура), над горната граница на гората – клек и хвойна, а най-високо – алпийски ливади. Границите на поясите зависят от склона и планината. Изолираните високи части на планините са като острови – затова в тях има много .
9. Заплахи и опазване
Видовете винаги са изчезвали, но по оценката на Междуправителствената платформа за биоразнообразието (IPBES, 2019 г.) днес това става поне десетки до стотици пъти по-бързо от средното за последните 10 милиона години, а около един милион вида са застрашени. Главните причини са:
- унищожаване и раздробяване на местообитанията – изсичане, разораване, застрояване, пресушаване на блата;
- прекомерно използване – лов, риболов, бракониерство, събиране на редки растения;
- инвазивни видове – пренесени от човека чужди видове, които се размножават без естествените си врагове: амброзията и айлантът по пустеещите места, колорадският бръмбар по картофите; в Черно море реброплавното Mnemiopsis leidyi, донесено с баластни води през 80-те години на XX век, допринася за срива на улова на хамсия;
- замърсяване – торове, пестициди, пластмаса (виж Химия на околната среда);
- изменение на климата – видовете трябва да се местят на север или нагоре, а на върха на планината няма накъде.
Видовете се опазват на място – в защитени територии – и извън естественото им място – в ботанически и зоологически градини, генни банки и банки за семена. В България има три национални парка – Рила, Пирин и Централен Балкан, а Пирин и резерватът Сребърна са в списъка на световното природно наследство на ЮНЕСКО. Защитените зони от европейската мрежа Натура 2000 покриват около една трета от територията на страната. Застрашените видове са описани в Червената книга на България и в Червения списък на Международния съюз за защита на природата (IUCN).
Защо да пазим биоразнообразието? Освен заради самата му стойност, то ни дава храна, лекарства и дървесина, опрашване, чиста вода и плодородна почва. Разнообразните съобщества обикновено са и по-устойчиви: ако един вид пострада, други с подобна роля могат да го заместят.
10. Тренажор
Закон видове–площ, индекс на Симпсън, равновесие на острова, ефект на ръба и коефициент на сходство.
В две ливади има A и B вида растения, от тях C са общи. Колко е коефициентът на сходство на Сьоренсен QS = 2C/(A + B)?
11. Разнообразието в числа
🌼 Две ливади
В квадрат от ливада А има по 10 растения от 4 вида. В квадрат от ливада Б също има 4 вида и 40 растения, но 37 от тях са от един вид, а останалите три вида са по едно растение. Пресметнете индекса на Симпсън D = 1 − Σn(n − 1)/(N(N − 1)) за двете ливади.
🌲 Изсечена гора
В горски масив живеят 200 вида птици и насекоми, свързани с гората. Изсичат 90 % от гората. Колко вида ще останат в крайна сметка по закона видове–площ с z = 0,25? Колко ще изчезнат?
🏝️ Два острова
Два острова са на еднакво разстояние от континента, но вторият е 10 пъти по-голям. На малкия има 20 вида влечуги. Колко вида да очакваме на големия, ако z = 0,3?
🛣️ Път през гората
Квадратна гора е 4 km × 4 km. Ефектът на ръба навлиза 500 m навътре. Каква част от гората е вътрешна (без ръба)? А ако два пътя на кръст я разделят на четири квадрата 2 km × 2 km (ширината на пътищата пренебрегваме)?
⛰️ Ливади в Рила и Пирин
На високопланинска ливада в Рила са намерени 24 вида растения, а на подобна ливада в Пирин – 30. Общите видове са 18. Колко е коефициентът на сходство на Сьоренсен QS = 2C/(A + B)?
🌋 Нов остров
Нов вулканичен остров е заселван от континент със 100 вида птици. На празния остров пристигат 6 нови вида на година, а ако бяха там всички 100, щяха да изчезват по 2 на година (зависимостите са линейни). Колко вида ще има при равновесие и колко вида на година ще се сменят?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
12. ⚠️ Чести грешки
Ниша и местообитание
✗ Нишата е мястото, където живее видът.
✓ Мястото е местообитанието („адресът“). Нишата е „професията“ – всички условия, ресурси и ролята на вида.
Богатство и разнообразие
✗ Повече видове означава винаги по-голямо разнообразие.
✓ Разнообразието зависи и от изравнеността: 5 еднакво чести вида са по-разнообразни от 5 вида, от които един е 96 %.
Площ и видове
✗ Ако унищожим половината гора, изчезват половината видове.
✓ Видовете намаляват по-бавно от площта: ; при z = 0,25 изчезват около 16 %, а при 90 % загуба на площ – около 44 %.
Симбиоза
✗ Симбиоза значи само взаимна полза.
✓ В широкия смисъл симбиоза е всяко тясно съжителство – мутуализъм, коменсализъм или паразитизъм. Взаимната полза е мутуализъм.
Климакс
✗ Климаксното съобщество не се променя никога.
✓ То е относително устойчиво, но бури, пожари и болести непрекъснато отварят петна, в които сукцесията започва отново.
Хищникът и разнообразието
✗ Хищниците винаги намаляват броя на видовете.
✓ Ключовите хищници често го увеличават, като не дават на най-силния конкурент да изтласка останалите (опитът на Пейн).
13. 🎯 Бърз тест
Какво е биологично съобщество (биоценоза)?
14. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
15. Обобщение
- ✓ Съобщество () – популациите на различни видове на едно място; видов състав, доминанти, етажи
- ✓ Екологична ниша – „професията“ на вида; фундаментална и реализирана ниша
- ✓ Конкурентно изключване (Гаузе): видове с еднакви ниши не съжителстват дълго; разделяне на ресурсите
- ✓ Взаимоотношения: конкуренция (−/−), и паразитизъм (+/−), мутуализъм (+/+), коменсализъм (+/0), аменсализъм (−/0)
- ✓ Ключов вид – влиянието му е много по-голямо от числеността (морската звезда на Пейн)
- ✓ Сукцесия: първична (без почва) и вторична (с почва) → климаксно съобщество
- ✓ Биоразнообразие – генетично, видово, екосистемно; , ,
- ✓ Закон видове–площ ; островна биогеография – равновесие между заселване и изчезване
- ✓ Заплахи: унищожаване на местообитанията, прекомерно използване, инвазивни видове, замърсяване, климат; защитени територии, Натура 2000, Червена книга
💡 Интересен факт
През 1982 г. ентомологът Тери Ъруин опушва с инсектицид короните на 19 дървета от един вид в тропическата гора на Панама и събира падналите бръмбари: около 1200 вида само от тези дървета. С проста сметка – колко от тях живеят само на този вид дърво, колко вида дървета има в тропиците и каква част от са бръмбарите – той стига до около 30 милиона вида членестоноги в тропиците. Днес повечето учени смятат тази оценка за твърде висока, но тя показва колко малка част от живота на Земята сме описали.