Целью исследований было изучение пространственной структуры и возрастных спектров ценопопуляций Medicago L. в овражно-балочных комплексах юга Среднерусской возвышенности. Ландшафтно-климатические условия экотопов овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями формируют условия для внедрения новых синантропных видов, таких как виды рода Medicago. Большинство выявленных в этих условиях ценопопуляций люцерны являются полночленными, имеют континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам, что указывает на устойчивость происходящих в них адаптационных микроэволюционных изменений. Выявленные адаптационные процессы в локальных ценопопуляциях люцерны направлены на сохранение особей, обладающих морфологическими, биохимическими и другими свойствами, аналогичными тем, которыми обладает эндемичная кальцефильная растительность. Происходит формирование ценопопуляций определенного «карбонатного» экотипа, близкого к культурным формам по ряду морфологических признаков, обладающего при этом выраженным типом конкурентно-стресс-толерантной адаптивной стратегии. В связи с этим наблюдаемые адаптационные микроэволюционные процессы в фитоценозах на карбонатных почвах позволяют рассматривать меловой юг Среднерусской возвышенности как вторичный антропогенный микрогенцентр формообразования M. varia. С практической точки зрения возможен эффективный отбор особей бобовых трав для создания высокопродуктивных конкурентоспособных и экологически устойчивых ценопопуляций на карбонатных почвах.
ценопопуляции
возрастной спектр
виталитет
пространственная структура
карбонатные почвы
овражно-балочные комплексы
1. Абдушаева Я.М., Дзюбенко Н.И. Дикорастущие популяции – исходный материал в селекции многолетних бобовых трав // Фундаментальные исследования. – 2005. – № 9. – С. 37-38.
2. Вавилов Н.И. Мировые центры сортовых богатств (генов) культурных растений. – М.: Изд-во ГИОА, 1927. – Т. 5, № 5. – С. 339-351.
3. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта: (С основами статистической обработки результатов исследований). – М.: Колос, 1979. – 416 c.
4. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Популяционный анализ видов рода Medicago в естественных растительных сообществах юга Среднерусской возвышенности // Проблемы общей ботаники – традиции и перспективы: Сб. трудов Интернет-конференции / Отв. редактор Изотова Е.Д. – ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет, 10–12 ноября 2011. – Казань, 2011. – С. 82-84.
5. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Влияние способа возделывания люцерны гибридной на семенную продуктивность потомства первого поколения на карбонатных почвах ЦЧР // Кормопроизводство. – 2014. – № 2. – С. 23-26.
6. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Биологический потенциал бобовых трав в естественных сообществах эрозионных агроландшафтов ЦЧР // Кормопроизводство. – 2014. – № 4. – С. 7-9.
7. Злобин Ю.А. Популяционная экология растений: современное состояние, точки роста: монография. – Сумы: Университетская книга, 2009. – 263 с.
8. Котлярова Е.Г., Чернявских В.И., Тохтарь В.К. и др. Динамика растительного покрова агроландшафтов модельных территорий Красногвардейского стационара Белгородской области // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; URL: www.сайт/109-9427
9. Пианка Э. Эволюционная экология. – М.: Мир, 1981. – 399 с.
10. Талиев В.И. Растительность меловых обнажений Южной России. Ч. I. // Тр. о-ва испыт. прир. при Имп. Харьк. ун-те. – 1904. – Т. 39. – Вып. 1. – С. 81-254; Т. 40. – Вып. 1. – С. 1-282.
11. Чернявских В.И., Тохтарь В.К., Думачева Е.В. и др. Видовое разнообразие естественной растительности на склонах юга Среднерусской возвышенности и его влияние на продуктивность сообществ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3; URL: www.сайт/109-9446
12. Dumacheva E.V., Cherniavskih V.I. Particular qualities of micro evolutionary adaptation processes in cenopopulations Medicago L. on carbonate forest-steppe soils in European Russia / E.V. Dumacheva, V.I. Cherniavskih // Middle-East Journal of Scientific Research. – 2013. – N 17. V. 10. – P. 1438-1442.
13. Kotlyarova, E.G. Ecologically Safe Architecture of Agrolandscape is basis for sustainable development / Ekaterina G. Kotlyarova, Vladimir I. Cherniavskih, Elena V. Dumacheva // Sustainable Agriculture Research. – 2013. – Vol. 2, no. 2. – P. 11-24.
ВведениеВажнейшими комплексными признаками, позволяющими оценить наследственный адаптивный потенциал и конкурентоспособность ценопопуляций во взаимодействии с условиями среды, считаются их возрастной спектр и пространственная структура. Онтогенетические спектры популяций, полученные в результате многолетних наблюдений, отражают динамические процессы, происходящие в системе «почва - растение - сообщество» при взаимодействии с экотопом, ход возобновления и отмирания особей, указывают на темпы смены поколений, сукцессионные процессы и т.д. .
Наиболее распространенными видами, возделываемыми на юге Среднерусской возвышенности, являются: люцерна посевная, или синяя (M. sativa , 2n = 32), люцерна изменчивая или средняя (M. varia (или M. media Pers.), 2n = 32) и люцерна желтая или серповидная (M. falcata , 2n = 32). В связи с этим именно популяции Medicago , распространенные на карбонатных почвах в естественных сообществах, представляют наибольший интерес как объект экологических исследований и возможный материал для создания продуктивных сортов, устойчивых на сильно эродированных карбонатных почвах и меловых обнажениях в условиях региона .
Целью исследований было изучение пространственной структуры и возрастных спектров ценопопуляций Medicago L. в овражно-балочных комплексах юга Среднерусской возвышенности.
Объекты и методы исследования
Методологической основой исследований послужило учение о центрах происхождения и разнообразия культурных растений . Геоботанические исследования проводились на территории Белгородской области (2002-2013 гг.). Для оценки экологического состояния синегибридной люцерны M . varia в условиях овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями были выделены опорные стационарные пункты, локальные ценопопуляции которых рассмотрены как модельные:
1) урочище Плющевка, обнажения мела, х. Евдокимов, Волоконовский р-н;
2) обнажение, нижнесклоновая часть, граница со степными сообществами, конусы выноса элювия мела, с. Верхние Лубянки, Волоконовский р-н;
3) урочище Белая гора, меловое обнажение, нижнесклоновая часть, конусы выноса элювия мела, с. Ватутино, Валуйский р-н;
4) обнажение, конусы выноса элювия мела, с. Варваровка, Алексеевский р-н;
5) меловые обнажения, конусы выноса элювия мела, с. Саловка, Вейделевский р-н;
6) Когайский яр, меловые обнажения, конусы выноса элювия мела, с. Богородское, Новооскольский р-н .
Изучали площадь ценопопуляций (м 2), абсолютное число особей (шт.), экземплярную насыщенность (плотность) (шт./м 2), возрастной спектр локальных ценопопуляций. Наблюдения, учеты и обработка данных проводились согласно стандартным методикам .
Результаты и их обсуждение
В растительных сообществах меловых обнажений Белгородской области ценопопуляции M. varia явно приурочены к местообитаниям, связанным с хозяйственной деятельностью человека: произрастают в овражно-балочных комплексах вблизи полей, ранее используемых в системе почвозащитных и прифермерских севооборотов. На этих полях до начала 90-х годов прошлого века наиболее часто выращивались многолетние травы, занимая в структуре севооборота 50 % и более.
Формирование и дальнейшее развитие ценопопуляций M. varia в контрастных условиях овражно-балочных комплексов может объясняться тем, что эти экотопы аналогичны предгорьям с распространением щебнистых почв, откуда ведет свое начало культурная люцерна (например, Среднеазиатский регион, Северный Кавказ, Средиземноморье), но со спецификой карбонатности почв эрозионных ландшафтов региона.
Примечательно, что в геоботанических описаниях, сделанных в зоне наших исследований В.И. Талиевым 100 лет назад, синегибридная люцерна на меловых обнажениях не упоминается ни разу . Это может свидетельствовать об относительно недавнем широком распространении этого вида в регионе. В настоящее время, как показали наши исследования, M . varia встречается в растительных сообществах степных, луговых и кальцефильных эрозионных ландшафтах .
Для ценопопуляций M . varia в сложных условиях среды детерминирующим является сочетание ресурсов в конкретной точке экотопа. В овражно-балочных комплексах хорошо выражен микрорельеф, влияющий на пространственное распределение видов. Ценопопуляции синегибридной люцерны сосредоточены в устьях балок с конусами выноса и в конусах выноса действующих оврагов, т.е. в более увлажненных условиях обитания, на щебнистых почвах. Пространственная структура ценопопуляций M varia в стационарных пунктах в овражно-балочных комплексах Белгородской области опытам представлена в таблице 1.
Таблица 1. Пространственная структура ценопопуляций M
.
varia
в опорных стационарных пунктах (2008-2013 гг.)
|
Стационарный пункт |
Площадь, м 2 |
Абс. число особей, шт. |
Экземплярная насыщенность (плотность), шт./м 2 |
|
х. Евдокимов, Волоконовский р-н |
|||
|
с. Верхние Лубянки, Волоконовский р-н |
|||
|
с. Ватутино, Валуйский р-н |
|||
|
с. Варваровка, Алексеевский р-н |
|||
|
с. Саловка, Вейделевский р-н |
|||
|
с. Богородское, Новооскольский р-н |
|||
|
В среднем |
|||
Примечание: Сv - коэффициент вариации.
Площадь изученных ценопопуляций изменялась в широких пределах - от 200 м 2 до 8000 м 2 и в среднем составила 1983,3 м 2 (Cv=153,7 %). Наибольшие по площади ценопопуляции были обнаружены вблизи х. Евдокимов Волоконовского р-на и с. Варваровка Алексеевского р-на. Для всех местообитаний характерно случайно-групповое расположение особей люцерны. Размер групп варьировал, однако чаще других отмечались скопления численностью 10-30 особей. Единичные экземпляры встречались редко. Численность особей в ценопопуляциях в среднем составляла 226,3 шт., и этот показатель изменялся в достаточно узких пределах (Cv= 11,8 %), что свидетельствовало о его однородности и выравненности. Наибольшей по численности оказалась ценопопуляция возле с. Саловка Вейделевского р-на.
Максимальной плотностью характеризовалась ценопопуляция вблизи с. Верхние Лубянки Волоконовского р-на, имевшая при этом наименьшую общую площадь. В среднем экземплярная насыщенность люцерны составила 0,5 шт. / м 2 при большом уровне изменчивости показателя (Cv= 81,4 %).
Для изучения влияния эколого-ценотических факторов на возрастной спектр были проанализированы онтогенетические состояния особей локальных ценопопуляций люцерны изменчивой. Имматурное и виргинильное состояние особей рассматривали как одну группу вегетативных растений.
Преобладание растений определенной возрастной категории в спектре позволяет охарактеризовать устойчивость ценопопуляций в данных эколого-ценотических условиях. Каждое возрастное состояние имеет свои морфологические и физиолого-биохимические особенности, отражающиеся на взаимоотношениях особей с эколого-фитоценотической средой. В оптимальных условиях произрастания для ценопопуляций характерно нормальное статистическое распределение соотношений особей разного возраста .
Проведенный анализ позволил выявить особенности влияния условий на онтогенетический спектр изученных ценопопуляций. Четыре изученных ценопопуляции были полночленными и имели континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам. Две являлись дискретными: в ценопопуляции из с. Ватутино отсутствовали сенильные, а в ценопопуляции из с. Саловка - проростки и ювенильные особи.
Бимодальный онтогенетический спектр с двумя пиками: первый в предгенеративной, второй - ближе к сенильной части спектра был выявлен у ценопопуляции из х. Евдокимов. В данном местообитании 33,4 % особей находилось в предгенеративном состоянии, 23,7 % было старых генеративных и 17,1 % субсенильных. Такое соотношение свидетельствует об активном процессе самовозобновления, а также устойчивости данной локальной ценопопуляции во времени.
Ценопопуляции, в которых преобладают генеративные растения, а доля особей во всех остальных состояниях приблизительно сбалансирована, относят к нормальным. В наших исследованиях таковыми являлись ценопопуляции люцерны изменчивой из с. Верхние Лубянки и с. Ватутино и с. Богородское. В этих ценопопуляциях преобладали генеративные растения (g 1 , g 2 , g 3), на долю которых приходилось 67,1; 67,2; 73,3 % соответственно. Субсенильное и синильное состояние особей в данных ценопопуляциях было выражено слабо. Центрированный спектр ценопопуляций свидетельствует об их устойчивом статусе в сообществе.
Правосторонний онтогенетический спектр, указывающий на ослабление возобновительного процесса, в наших исследованиях был выявлен у ценопопуляций из с. Варваровка и с. Саловка. В этих местообитаниях преобладали группы особей в сенильном состоянии - 39,4 % и 38,5 % соответственно. В ценопопуляции из с. Саловка доля особей в предгенеративном состоянии (p, j, V) составляла 7,3 %, а в ценопопуляции с. Богородское было обнаружено 2,1 % вегетативных растений при полном отсутствии особей возраста p, j. Наблюдения за этими локальными ценопопуляциями в течение трех лет указывают на их нестабильность и постепенное выпадение из фитоценозов.
Репродуктивное усилие рассматривается в современной фитоценологии как один из наиболее информативных и комплексных генетически обусловленных показателей, определяющий зависимость уровня продукционного процесса как от состояния особей в ценопопуляциях, так и от эколого-ценотической обстановки .
Высокая семенная продуктивность и, соответственно, репродуктивное усилие выявлено у особей ценопопуляций х. Евдокимов и с. Ватутино. Ценопопуляция с. Верхние Лубянки имела тенденцию к повышению продуктивности общей фитомассы за счет увеличения мощности развития корневой системы, что отразилось на величине репродуктивного усилия в сторону его снижения (таблица 2).
Таблица 2. Показатели общей продуктивности и репродуктивного усилия особей люцерны в опорных стационарных пунктах (2008-2013 гг.)
|
Стационарный пункт |
Надземная фитомасса особей, г абс. сух. в-ва |
Общая фитомасса особей, г абс. сух. в-ва |
Кол-во семян, шт./1 раст. |
Репродуктивное усилие, % |
|
х. Евдокимов, Волоконовский р-н |
||||
|
с. Верхние Лубянки, Волоконовский р-н |
||||
|
с. Ватутино, Валуйский р-н |
||||
|
с. Варваровка, Алексеевский р-н |
||||
|
с. Саловка, Вейделевский р-н |
||||
|
с. Богородское, Новооскольский р-н |
||||
|
В среднем |
||||
У особей ценопопуляций с. Варваровка, с. Саловка и с. Богородское выявлен общий тренд в сторону снижения величины надземной фитомассы, семенной продуктивности и, как следствие, репродуктивного усилия.
Заключение
Ландшафтно-климатические условия экотопов овражно-балочных комплексов с меловыми обнажениями формируют условия для внедрения новых синантропных видов, таких как виды рода Medicago . Они являются не только одними из наиболее ценных в хозяйственном отношении, но также в большинстве случаев определяют величину биологической емкости эрозионных агроландшафтов.
Большинство выявленных в этих условиях ценопопуляций люцерны являются полночленными, имеют континуальный (непрерывный) характер распределения особей по возрастным группам, что указывает на устойчивость происходящих в них адаптационных микроэволюционных изменений. Выявленные адаптационные процессы в локальных ценопопуляциях люцерны направлены на сохранение особей, обладающих морфологическими, биохимическими и другими свойствами, аналогичными тем, которыми обладает эндемичная кальцефильная растительность. Происходит формирование ценопопуляций определенного «карбонатного» экотипа, близкого к культурным формам по ряду морфологических признаков, обладающего при этом выраженным типом конкурентно-стресс-толерантной адаптивной стратегии.
В связи с этим наблюдаемые адаптационные микроэволюционные процессы в фитоценозах на карбонатных почвах позволяют рассматривать меловой юг Среднерусской возвышенности как вторичный антропогенный микрогенцентр формообразования M . varia . С практической точки зрения возможен эффективный отбор особей бобовых трав для создания высокопродуктивных конкурентоспособных и экологически устойчивых ценопопуляций на карбонатных почвах.
Рецензенты:
Сорокопудов В.Н., д.с.-х.н., профессор ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.
Сорокопудова О.А., д.с.-х.н., профессор, профессор биолого-химического факультета ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.
Основные понятия и термины : латентный, передгенеративний , генеративный и постгенеративний периоды онтогенеза; возрастные состояния растений: проростки, ювенильные, іматурні , молодые вегетативные, взрослые вегетативные, молодые генеративные, средневозрастные генеративные, субсенильні и сенильные особи; возрастной спектр; инвазионная и регрессивная ценопопуляція .
Характеризуя возрастную структуру популяций у растений, нужно иметь в виду, что абсолютный возраст растения и его возрастное состояние - разные понятия.
Возрастное состояние особи растения - это этап индивидуального развития растения, на котором она имеет определенные экологические и физиологические свойства.
Большой жизненный цикл включает этапы развития растения от формирования зародыша семени к смерти или к отмиранию всех ее поколений, возникшие от нее вегетативно. В большом жизненном цикле выделяют онтогенетические периоды и возрастные состояния (табл. 5.1, рис. 5.14).
Таблица 5.1.
Периоды и возрастные состояния в жизненном цикле растений
|
Периоды |
Возрастные состояния |
Условные обозначения |
|
И. Латентный |
Семена |
S m |
|
II. Передгенервтиіний |
Проростки (лестница) |
|
|
(віргінільний ) |
Ювенильные особи |
|
|
Іматурні особи |
I m |
|
|
Молодые вегетативные особи |
||
|
Взрослые вегетативные особи |
||
|
III. Генеративный |
Молодые генеративные особи |
|
|
Средневековые генеративные особи |
||
|
Старые генеративные особи |
||
|
Субсенильні особи |
||
|
Постгенеративний |
Сенильные особи |
|
|
(сенильний ) |
Рис. 5.14. Возрастные состояния онтогенеза растений : А - овсяницы луговой (семья злаковые), Б -
васильки сибирской (семья астровые).
p - проростки; j - ювенильные растения; i m - іматурні ; v - віргінільні ; g 1 - молодые генеративные; g 2 - средневозрастные генеративные; g 3 - старые генеративные; ss - субсенильні ; s - сенильные растения.
У растений выделяют четыре периода онтогенеза особи:
1) латентный - период первичного покоя, когда растение находится в виде семян или плодов;
2) віргінільний или передгенеративний - от прорастания семена к формированию генеративных органов;
3) генеративный - период размножение растений семенами или спорами;
4) сенильний или постгенеративний - это период резкого снижение и потери способности к половому размножению, который заканчивается полным отмиранием растений.
Каждый из периодов характеризуется соответствующими возрастными состояниями. Продолжительность отдельных периодов индивидуального развития, характер и время перехода от одного возрастного состояния к другому есть биологической особенностью вида растения и его адаптации к условиям среды в процессе эволюции.
Семена характеризуется относительным покоем, когда обмен веществ в нем сведен к минимуму. Лестницы имеют зачаточные корешки и семядольные листья, питаются еще за счет запасных питательных веществ семена и фотосинтеза семядолей .
Ювенильные растения переходят к самостоятельному питания. Преимущественно у них отсутствуют семядоли, но листья еще нетипичные, меньших размеров и другой формы, чем у взрослых.
Іматурні растения имеют признаки перехода от ювенильных до взрослых особей. У них наблюдается начало ветвления побегов, появляются типичные листья. Ювенильные признаки постепенно сменяются типичными для вида растения. Это состояние у некоторых видов является долговременным.
Вегетативные особи (віргінільні ) характеризуются процессом формирования типичной жизненной формы растений с соответствующими типовыми признаками морфологической структуры подземных органов и надземной пагонової системы. Растения заканчивают передгенеративний период своего жизненного цикла. Генеративные органы еще отсутствуют. На разных этапах формирования типовой вегетативной сферы выделяют молодые и взрослые вегетативные особи, готовые вступить в генеративную фазу развития.
Генеративные особи характеризуются переходом к цветение и плодоношение. Молодые генеративные особи завершают формирование типовых структур вида. В них появляются генеративные органы (цветки и соцветия), наблюдается их первое цветение.
Средневозрастные генеративные особи отмечаются ежегодным максимальным приростом вегетативной сферы за счет развития новых побегов обогащения, обильным цветением и высокой семенной продуктивностью. В таком состоянии растения могут находиться разное время, в зависимости от продолжительности жизни и биологических особенностей видового онтогенеза. Это один из важнейших периодов жизнь растения, что привлекает внимание специалистов-теоретиков и практиков. Регулирующее влияние на культурные кормовые и декоративные садово-парковые растения дает возможность продлить их молодость и повысить производительность первых и декоративные качества других.
Старые генеративн и особи ослабляют процесс побегообразования , резко снижают семенную продуктивность. В них начинаются процессы отмирания, которые постепенно преобладают над процессами образование новых пагонових структур.
Сенильные особи отличаются четко выраженным процессом старения. Появляются мелкие побеги с листьями ювенильного типа. Растение со временем отмирает.
Возрастное распределение особей ценопопуляции растений называют возрастным спектром . Если в возрастном спектре растения представлены семенами и молодыми особями, такую ценопопуляцію называют інвазійною.
Чаще такой есть молодая популяция, только внедрена в фітоценоз определенного биогеоценоза.
Различают нормальные и полноценные нормальные неполноценные ценопопуляции .
Нормальная полноценная ценопопуляція представлена всеми возрастными состояниями и способна к самопідтримання семенами или вегетативным размножением.
Неполноценной нормальной ценопопуляцією называют такую, в которой отсутствуют особи отдельных возрастных состояний (лестница или чаще всего сенильные особи). Такими являются популяции растений
Монокарпіків , которые плодоносят один раз в жизни. Это однолетние и двухлетние растения.
Подробную классификацию растительных популяций разработал Т.А.Работнов (1946). Среди растительных популяций в пределах фитоценоза он выделяет несколько типов:
I. Инвазионные популяции . Растения еще только приживаются в фітозенозі и не завершают том полного цикла развития.
В этом типе выделяют подтипы:
1) растения встречаются только в виде лестницы, возникшие из занесенного семена из других популяций;
2) растения встречаются в виде всходов, ювенильных и вегетативных особей. Они по разным причинам не плодоносят и воспроизводятся только заносом семян.
II. Популяции нормального типа . Растения проходят в фітоценозі полный цикл развития.
В нем выделяют подтипы:
1) растения находятся в оптимальных условиях. В популяции высокий процент генеративных особей;
2) растения этого вида находятся в средних условиях и, соответственно, популяция содержит значительно меньше генеративных особей;
3) растения находятся в не очень благоприятных условиях, генеративных особей в популяции мало.
III. Популяции регрессивного типа. Генеративне воспроизведения растений в ней прекратилось.
Этот тип популяции включает подтипы:
1) растение цветет, дает семена, но с него вырастают нежизнеспособные всходы; или растение совсем не образует семян. Поэтому в таких популяциях молодой подрост отсутствует;
2) растение потеряла полностью способность к цветению и только вегетирует . Следовательно, популяция состоит из старых особей.
Эта классификация растительных популяций дает возможность определять их перспективу развития в данной экосистеме на основе анализа действия факторов среды.
Ценопопуляции , в составе которых есть только старые субсенильні и сенильные особи, не способны к самопідтримання , называются регрессивными. Они могут существовать за счет заноса семян или зачатков из других ценопопуляций .
Возрастная структура ценопопуляций определяется такими свойствами вида, как: периодичность плодоношения, скорость перехода из одного возрастного состояния в другое, длительность каждого состояния, продолжительность большого жизненного цикла, способность к вегетативному размножению и образование клонов, устойчивость к заболеваниям и неблагоприятным природным условиям т.д.
В случае, когда ценопопуляція характеризуется высокой семенной продуктивностью и массовым появлением всходов при значительной гибели молодых особей и быстром переходе тех, что остались, в вегетативное и генеративное состояние, ее возрастной спектр имеет левосторонний характер. Таков спектр молодых ценопопуляций (рис. 5.15).
Рис. 5.15. Возрастные спектры ценопопуляций :
А - левосторонний спектр безвременника пышного;
Б - правосторонний спектр костра лугово;
1, 2 - изменчивость по годам.
Если семенная продуктивность невысокая, молодых особей немного, происходит накопление взрослых особей вследствие значительной продолжительности их возрастных состояний и при образовании клона, спектр ценопопуляции будет иметь правосторонний характер. Он является признаком ее старения.
Возрастной спектр ценопопуляции и ее численность определяют роль вида в фітоценозі.
ВВЕДЕНИЕ
Рябчик русский (Fritillaria ruthenica Wikstr.) - вид из семейства Лилейных. F. ruthenica занесен в Красную книгу России , в региональные Красные книги Саратовской, Волгоградской, Самарской, Пензенской, Липецкой, Тамбовской, Брянской областей. Изучение возрастных состояний ценопопуляций F. ruthenica в Балашовском районе, как редкого и охраняемого вида растения является актуальным, что и определяет цель данного исследования.
Это многолетнее луковичное травянистое растение с поникшими цветками (продолжительность жизни до 20 лет) . Околоцветник простой, венчиковидный шестичленный. Плод - коробочка. Это евроазиатский вид . Рост листьев начинается во второй декаде апреля и продолжается до второй декады мая. Продолжительность вегетации F. ruthenica в разные возрастные периоды от 30 до 80 дней. В зависимости от сроков и времени оттаивания почвы колебания между сроками начала вегетации в отдельные годы могут достигать 20-22 дня. В период летнего покоя сохраняется только луковица. F. ruthenica размножается как семенами, так и вегетативным путем (почками возобновления от луковиц или придатковыми выводковыми почками). F. ruthenica - ксеромезофит. Требователен к почвам .
Категория и статус у F. ruthenica в Саратовской области 2 (V) - уязвимый вид. Произрастает на остепненных лугах, среди кустарников, на опушках и полянах лиственных лесов, в остепненных дубравах, по каменистым меловым склонам. Лимитирующими факторами являются - сбор населением и нарушение целостности местообитаний .
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для изучения состояния ценопопуляций F. ruthenica закладывались пробные площадки размером 1х1 м. На каждой пробной площадке учитывалось общее количество особей на 1 м 2 . У F. ruthenica измерялись следующие биометрические показатели: высота, количество нижних, средних и верхних листьев, количество цветков, длина листочков околоцветника. При анализе данных показателей определялись возрастные состояния особей, и составлялись онтогенетические спектры. При определении возрастной структуры популяции за учётную единицу принимали особей семенного и вегетативного происхождения. Возрастные состояния определялись по Работам М.Г. Вахромеевой, С.В. Никитиной, Л.В. Денисовой, I. Ю. Парнiкоза . Индексы восстановления, возрастности и эффективности определялся по методике А.А. Уранова . Индекс восстановления показывает, сколько потомков приходится на одну генеративную особь в данный момент . Индекс возрастности оценивает онтогенетический уровень ЦП в конкретный момент времени, он изменяется в диапазоне 0-1. Чем выше его показатель, тем старше исследуемая ЦП . Индекс эффективности, или средняя энергетическая эффективность - это энергетическая нагрузка на среду, называемая «средним» растением . Он также изменяется от 0 до 1, и чем он выше, тем старше возрастная группа «среднего» растения.
Распределение особей по возрастным состояниям в ценопопуляции называется ее возрастным, или онтогенетическим спектром. Он отражает количественные соотношения разных возрастных периодов и стадий. Если в возрастном спектре представлены все возрастные группы, то популяция называется полночленной.
Если в возрастном спектре представлены только молодые особи, не достигшие репродуктивной фазы развития, то популяция называется инвазионной (внедряющейся, расширяющейся). Примером такой популяции может служить сосна (р. Pinus ), развивающаяся на месте недавней вырубки. Если в возрастном спектре представлены все или почти все возрастные группы, то популяция является полночленной и стабильной и называется нормальной. Она способна к самоподдержа- нию генеративным или вегетативным путем. Нормальный тип популяций характерен для доминирующих видов растительного сообщества, например, ценопопуля- ция лисохвоста лугового (Alopecurus pratensis ) на лисохвостном лугу или черники обыкновенной (Vaccinium myrtillus ) в ельнике чернично-зеленомошном. Если в популяции присутствуют в основном сенильные или субсенильные особи, а возобновление отсутствует, то такая популяция называется регрессивной (угасающей). Численность особей в ней неуклонно снижается. Береза (р. Betula ) в перестойном березовом лесу с густым еловым подростом (р. Ркеа) может служить примером такой популяции. Всходы березы из-за затенения молодыми елями не развиваются, следовательно, ее популяция не способна к самоподдержанию и обречена на вымирание. Аналогичная ситуация происходит с дубом черешчатым (Quercus robur ) в 300-летней дубраве.
Возрастной состав популяций можно отразить в виде диаграммы, расположив количественное отношение возрастных стадий, начиная с виргинильных, друг над другом. В результате чего получаются возрастные пирамиды, по характеру которых можно прогнозировать будущее изменение численности популяции. Различают три основных типа возрастных пирамид, соответствующих трем выше описанным типам возрастного состава популяции. Пирамида с гипертрофированно широким основанием отражает инвазионную популяцию. Если возрастная пирамида правильная, то это нормальная популяция. Возрастная пирамида с узким основанием характерна для регрессивной популяции.
Анализ возрастного состава ценопопуляций имеет большое значение для прогнозирования изменений в растительном сообществе и является биологической основой для разработки способов рационального использования естественных растительных ресурсов и их охраны, выявления возможностей восстановления растительного покрова на нарушенных землях, оценки экологической валентности видов.
В случае, когда возможность проведения полноценных исследований ценопопуляций древесных растений отсутствует, можно проводить экспресс-оценку их состояния в фитоценозе по типовым геоботаническим описаниям, в которых указано обилие видов в каждом ярусе лесного сообщества. Устойчиво существующие в сообществе виды с нормальными популяциями занимают все ярусы. Виды, популяции которых являются регрессивными или инвазионными, присутствуют только в древостое или только в подросте, соответственно.
Количественное участие деревьев в первом ярусе определяет современную структуру сообщества и отражает ранее существовавшие возможности популяций. Состав второго яруса характеризует направленность перестройки современного первого яруса в ближайшем будущем, вследствие замещения отмирающих старых деревьев более молодыми, наличие обильного жизнеспособного подроста может указывать на более далекую перспективу развития сообщества.
Текущая страница: 10 (всего у книги 32 страниц) [доступный отрывок для чтения: 21 страниц]
Шрифт:
100% +
4.3. Возрастная структура
Возрастная структура определяется соотношением различных возрастных групп особей в популяции. Возрастное , или онтогенетическое, состояние определяется как физиолого-биохимическое состояние особи, отражающее определенный этап онтогенеза. Особи одного возрастного состояния функционально сходны, но могут иметь разный абсолютный или календарный возраст. Абсолютный возраст измеряется временем жизни организма или данной когорты особей в популяции с момента появления особи до времени наблюдения. В популяции и в ценозе не абсолютный возраст, а возрастное состояние отражает биологическую роль особей, а поэтому по ним проводится сравнительная оценка роли видов в сообществе.
Возрастная структура популяций у растений. В основу выделения возрастных состояний растений положен комплекс качественных признаков. Выражением онтогенетических состояний служат главным образом морфологические изменения, наиболее легко визуально улавливаемые и коррелятивно связанные с другими возрастными изменениями организма.
Представление о возрастности как этапе индивидуального развития особи легло в основу многочисленных периодизаций морфогенеза. Общепризнанной является классификация возрастных состояний растений Работнова (1950). Согласно его классификации, у растений выделяются 11 возрастных состояний, соответствующих четырем периодам онтогенеза (табл. 3). Соотношения продолжительности этих периодов у разных видов весьма разные (рис. 44).
Рис. 44. Соотношение продолжительности предрепродуктивного (7), репродуктивного (2) и пострепродуктивного (2) периодов онтогенеза у некоторых видов (по А.В. Яблокову, 1987)
Покоящиеся семена – семена (эмбриональные особи), отделившиеся от родительской особи и после диссеминации самостоятельно существующие в почве (на почве).
Проростки – маленькие неветвящиеся растения с наличием зародышевых структур (семядолей, зародышевого корня, побега с маленькими, более простой формы, чем у взрослого растения, листьями) и смешанным питанием (за счет веществ семени, ассимиляции семядолей и первых листьев). При надземном прорастании семядоли выносятся выше уровня поверхности почвы; при подземном (у дуба) – остаются в почве. Первые листья (у ели) тонкие, короткие (длиной до 1 см), округлые в сечении и часто расположенные.
Таблица 3
Классификация возрастных состояний семенных растений (по Работнову, 1950)
*Индексы возрастных состояний приняты по А.А.Уранову (1973)
Ювенильные растения - растения, которые утратили связь с семенем, семядолями, но еще не приобрели черт и признаков взрослого растения. Отличаются простотой организации. Обладают детскими (инфантильными) структурами. Листья у них небольших размеров, не типичные по форме (у ели они сходны с хвоей проростков), ветвление отсутствует. Если ветвление выражено, то оно качественно отличается от ветвления имматурных особей. Характеризуются высокой теневыносливостью, входя в состав травяно-кустарничкового яруса.
Имматурные растения характеризуются переходными признаками и свойствами от ювенильных к взрослым вегетативным особям. Они крупнее, с выраженным ветвлением, развивают листья, по форме больше сходные с листьями взрослых растений. Питание автотрофное. На этом этапе наступает отмирание главного корня, получают развитие придаточные корни, побеги кущения. Имматурные деревья входят в состав яруса подлеска. При слабой освещенности особи задерживаются в развитии, а затем отмирают. У малолетников этот этап, как правило, не регистрируется. У ели наблюдается обычно на четвертом году жизни. Выделение имматурных растений наиболее затруднено, и некоторыми авторами они объединяются в одну группу с растениями виргинильными.
Виргинильные растения имеют морфологические черты, типичные для вида, но не развивают еще генеративных органов. Это фаза подготовки морфофизиологической основы для достижения физиологической зрелости, которая наступит на следующем этапе. Виргинильные деревья имеют почти полностью сформированные черты взрослого дерева. У них хорошо развиты ствол, крона, прирост в высоту максимальный. Они входят в состав древесного полога и испытывают максимальную потребность в свете.
Генеративные молодые растения характеризуются появлением первых генеративных органов. Цветение и плодоношение не обильное, качество семян может быть еще низким. В организме происходят сложные перестройки, обеспечивающие генеративный процесс. Процессы новообразований преобладают над отмиранием. Рост деревьев в высоту интенсивный.
Генеративные средневозрастные растения достигают максимальных размеров, выделяются большим годичным приростом, обильным плодоношением, высоким качеством семян. Процессы новообразований и отмираний уравновешиваются. У деревьев прекращается верхушечный рост некоторых крупных ветвей, на стволах пробуждаются спящие почки.
Генеративные старые растения – растения, годичный прирост которых ослаблен, резко снижены показатели генеративной сферы, процессы отмирания преобладают над процессами новообразования. У деревьев активно пробуждаются спящие почки, возможно формирование вторичной кроны. Семена продуцируются нерегулярно и в небольшом количестве.
Субсенильные растения теряют способность развития генеративной сферы. Преобладают процессы отмирания, возможно вторичное появление листьев переходного (имматурного) типа.
Сенильные растения характеризуются чертами общего одряхления, которое выражается в отмирании частей кроны, отсутствии почек возобновления и других новообразований; возможно вторичное появление некоторых ювенильных черт. У деревьев обычно развивается вторичная крона, верхняя часть кроны и ствола отмирает.
Отмирающие растения имеют единичные жизнеспособные спящие почки, преобладают отмершие части.
Перечисленные возрастные состояния характерны для поликарпиков. У монокарпиков генеративный период представлен всего одним возрастным состоянием, а постгенеративный период вовсе отсутствует. Возрастные состояния определяются по специально разработанным диагнозам и ключам (рис. 45, 46).
Возрастная структура популяций у животных. У животных обычно различают особи молодые, сеголетки, годовики, взрослые и старые. Некоторые авторы выделяют пять возрастных групп животных: новорожденные (до времени прозревания); молодые (подрастающие особи, еще не достигшие половой зрелости); полувзрослые (близкие к половой зрелости); взрослые (половозрелые особи); старые (особи, переставшие размножаться). В.Е. Сидорович в популяциях выдры Беларуси различал три возрастные группы: особи молодые (первый год жизни), полувзрослые (второй год жизни), взрослые (третий год жизни и старше). В беловежской популяции зубра взрослые особи составляют 57,8 %, молодняк (от 1 до 3,5 года) – 27,9, сеголетки – 14,3 %.
Выделение возрастных групп у животных затруднено. Чаще всего внимание уделяется времени перехода особи в генеративное состояние. Возраст половой зрелости у разных видов наступает в разные сроки. Кроме того, сроки созревания особей одного вида в разных популяциях также разные. В некоторых популяциях горностая (Mustela erminea) проявляется явление неотении – спаривания еще слепых 10-дневных самок. Самки белуги созревают в 15–16 лет, самцы – в 11 лет. При благоприятных условиях белуга может заходить в реки на нерест до 9 раз. В речной период жизни самки не питаются. Повторное созревание наблюдается через 4–8 лет (самки) и 4–7 лет (самцы). Последний нерест отмечается в возрасте около 50 лет. Пострепродуктивный период продолжается 6–8 лет. Значительно раньше, в 4– или 5-летнем возрасте, наступает половозрелость самок белого медведя. Размножение протекает до 20-летнего возраста, повторяется в среднем через 2 года, средний размер выводка 1,9 детеныша. Наиболее отчетливо возрастные отличия проявляются у видов, развитие которых проходит с метаморфозом (яйцо, личинка, куколка и имаго).
Рис. 45. Возрастные состояния ели обыкновенной (по Ю.Э. Романовскому,2001):
j - ювенильное; im - g - генеративное
Особи разных возрастных групп как у растений, так и у животных, развиваясь неизбежно в разных условиях, заметно отличаются не только морфологическими, но и количественными показателями. Они имеют биологические и физиологические различия, играют разную роль в сложении сообществ, в биоценотических отношениях. В популяциях растений семена, например, находясь в состоянии покоя, выражают потенциальные возможности популяции. Проростки имеют смешанное питание (питательные вещества эндосперма и фотосинтез), ювенильные особи и особи последующих групп являются автотрофами. Генеративные растения выполняют функцию самоподдержания популяции. Роль особей в жизни популяции, начиная с субсенильных растений, ослабевает. Отмирающие растения оставляют популяцию. В процессе онтогенеза у многих видов меняется жизненная форма, а также отношение, степень устойчивости к факторам среды.
Рис. 46. Возрастные состояния подорожника среднего (по Л.А. Жуковой,1980):
j- ювенильное; im - имматурное; v – виргинильное; g - генеративное молодое; g 2 – генеративное средневозрастное; g 3 - генеративное старое; ss - субсенильное; s – сенильное
У животных различия между возрастными группами также весьма существенны и видоспецифичны. В популяциях рыжей полевки (Clethrionomys glareolus), по данным Шилова (1997), особи весенних и летних когорт быстро созревают, рано вступают в брак, отличаются плодовитостью, способствуя наращиванию численности популяции и увеличению ее ареала. Однако у них быстро стираются зубы, они рано стареют и живут в основном 2–3 месяца. До весны следующего года доживает небольшое число особей. Зимуют, как правило, зверьки последних генераций. У них небольшие размеры тела, значительно меньше относительная масса большинства внутренних органов (печень, почки), уменьшенная скорость стирания зубов, т. е. выражено резкое торможение роста. Кроме того, они обладают очень низкой смертностью зимой. По физиологическому состоянию зимующие полевки соответствуют примерно месячным особям весенне-летних генераций. Они дают потомство и вскоре отмирают. Их потомки – особи ранневесенних когорт, отличаясь ранним созреванием и плодовитостью, быстро пополняют изреженную за время нерепродуктивного периода популяцию, замыкая годичный цикл.
Благодаря биологическим особенностям зимующих особей до минимума снижаются энергетические затраты в наиболее трудное для популяции время. Они успешно «перетаскивают» популяцию через зиму. Аналогичная закономерность отмечена у других видов грызунов. У степных пеструшек (Lagurus lagurus), родившихся в мае, средний возраст достижения половозрелости составлял 21,6 сут, а родившихся в октябре – 140,9 сут. По выражению Шварца, переживание неблагоприятных условий протекает в состоянии «законсервированной молодости». Увеличение продолжительности жизни грызунов поздних когорт идет не за счет выживания в старости, а путем продления физиологически юношеского периода.
Процесс перехода растения, животного из виргинильного состояния в генеративное определяется конкретной генетической программой и регламентируется множеством факторов. Для растений это прежде всего температура, продолжительность светового дня, а также положение в фитоценозе. Начало возмужалости особей в одновозрастных ценозах пихты сибирской (Abies sibirica) колеблется в интервале 22-105 лет. Замечено, что заложение первых генеративных органов у хвойных видов происходит во время максимального прироста дерева в высоту, а также при интенсивном радиальном росте ствола. Чем стремительнее идет кривая роста вверх, тем раньше древесное растение вступает в репродуктивную фазу. С максимальным линейным приростом в высоту связаны физиологические и структурные изменения у растений. Быстрый рост позволяет растениям за короткое время достигнуть определенной морфологической структуры и линейных размеров. С затуханием кульминации прироста в высоту в связи с перераспределением пластических веществ наступает устойчивое цветение и плодоношение. Травянистые растения начинают плодоношение также при некотором пороговом значении вегетативной массы и развитии запасающих органов.
По данным М.Г. Попова, по мере того как количество меристемы начинает убывать и «организм обрастает панцирем, броней постоянных тканей», у него уменьшается способность к росту, начинается процесс генеративного развития, а при дальнейшем истощении меристемы наступает старение. Механизм этого явления весьма сложный и до конца не изучен. Предполагается, что количественные сдвиги в метаболизме приводят к активации инертных генов, синтезу специфических РНК и качественно новых репродуктивных белков. Ю.П. Алтуховым показано: чем большая доля «гетерозисных» генов включена в процессы роста и полового созревания, тем значительнее энергетические затраты организма в прегенеративный период онтогенеза и тем раньше наступает половозрелость.
Возрастные спектры. Возрастные структуры популяций выражаются в виде возрастных спектров, отражающих распределение особей популяции по возрастным состояниям. Изучение возрастной структуры начинается с установления базового возрастного спектра. Базовый возрастной спектр выступает в качестве эталонного (типичного), с которым сравниваются возрастные состояния изучаемых популяций данного вида. Он рассматривается как один из биологических показателей вида, а отклонения отражают состояние конкретной ценопопуляции.
Различают четыре типа базовых спектров (рис. 47). В пределах каждого типа выделяется несколько вариантов в зависимости от способов самоподдержания, хода онтогенеза особей и особенностей его осуществления в фитоценозе.
Левосторонний спектр отражает преобладание в популяции особей прегенеративного периода или одной из его возрастных групп. Характерен для деревьев и некоторых трав.
Одновершинный симметричный спектр отражает наличие в популяции особей всех возрастных состояний с преобладанием зрелых генеративных особей, что обычно выражено у видов со слабым старением.
Правосторонний спектр характеризуется максимумом старых генеративных или сенильных особей. Накопление старых особей чаще всего связано с большой продолжительностью соответствующих возрастных состояний.
Рис. 47. Типы базовых спектров ценопопуляций (средние показатели) (из Л.Б. Заугольновой, Л.А. Жуковой, А.С. Комаровой, О.В. Смирновой, 1988):
а -левосторонний (таволги вязолистной); б - одновершинный симметричный (овсяницы валисской); в – правосторонний (овсяницы луговой); г – двувершинный (ковыля перистого)
Бимодальный {двувершинный) спектр насчитывает два максимума: один – в молодой части, другой – в составе зрелых или старых генеративных растений (две модальные группы). Характерен для видов со значительной продолжительностью жизни и хорошо выраженным периодом старения.
Соотношение возрастных групп. По соотношению возрастных групп различают популяции инвазионные, нормальные и регрессивные. Классификацию предложил Работнов в соответствии с тремя этапами развития ценопопуляции как системы: возникновения, полного развития и угасания.
Популяция инвазионная состоит преимущественно из молодых (прегенеративных) особей. Это молодая популяция, для которой характерен процесс освоения территории и занос зачатков извне. Она еще не способна к самоподдержанию. Такие популяции характерны обычно вырубкам, гарям, нарушенным местообитаниям. Особенно успешно они развиваются на местах после сплошной вспашки. Кроме местных видов, инвазионные ценопопуляции формируют древесные интродуценты. Ирга колосистая, пузыреплодник калинолистный, сосна банкса, клен ясенелистный и некоторые другие виды внедряются в естественные ненарушенные или слабо нарушенные ценозы, существенно не влияя на их общую структуру. Процесс внедрения весьма сложен, связан с большим отпадом. Самосев пихты бальзамической, включающий проростки, ювенильные, имматурные и виргинильные растения, составлял в кисличных условиях произрастания до 40 тыс. экз/га (левосторонний спектр). За 12 лет он сократился до 14 тыс., а за последующие 9 лет его количество уменьшилось до 6 тыс. экз/га. Попадая под полог древесного яруса, виргинильные растения характеризуются замедленным развитием, многие вступают во вторичный покой.
Популяция нормальная включает все (или почти все) возрастные группы организмов. Отличается устойчивостью, способностью к самоподдержанию семенным или вегетативным путем, полноправным участием в структуре биоценоза, независимостью от внешнего поступления зачатков. Эти популяции бывают нормальными полночленными или нормальными неполночленными. Популяции с полночленным возрастным спектром – характерная черта сформировавшихся сообществ.
Популяция регрессивная2
Правильнее называть «регрессирующая популяция».
Характеризуется преобладанием постгенеративных возрастных групп особей. Молодые особи отсутствуют. В таком состоянии популяции теряют возможность самоподдержания, постепенно деградируют и отмирают. К регрессивным популяциям березы повислой в лесах относятся многие наиболее старые березняки, в которых под пологом березы не происходит возобновление вида, а обильное развитие получает подрост ели, составляющий ее инвазионную популяцию. В деградирующем состоянии, в основном по причине мелиорации болотного массива, оказалась единственная в Беларуси ценопопуляция пихты белой (Беловежская пуща).
Возрастные состояния отражают динамическое состояние популяции. Она в своем развитии обычно проходит инвазионную, нормальную и регрессивную стадии. В каждом случае возрастная структура популяции определяется биологическими особенностями вида и зависит от условий внешней среды. Ею следует руководствоваться при эксплуатации природных популяций животных и растений.
Значение разнокачественности возрастных состояний. Разными спектрами питания особей возрастных групп смягчаются внутривидовые конкурентные взаимоотношения, более полно используются ресурсы, усиливается сопротивляемость популяции по отношению к неблагоприятным факторам среды, поскольку особи разных возрастных состояний обладают разным адаптивным потенциалом. Головастики, например, являются водными фитофагами, лягушки – зоофагами, ведущими наземный образ жизни. Взрослые особи майского жука (Melolontha hippocastani) питаются листьями деревьев, личинки – перегноем и корнями растений. Когорты приурочены к разным слоям почвы и в зависимости от ее температуры и влажности, наличия пищи жуки вылетают в разное время, что наделяет популяцию многочисленными адаптивными стратегиями. Пищей бабочки-капустницы (Pieris brassicae), самой крупной среди местных огородных белянок, является нектар крестоцветных растений, пищей гусениц – листья капусты. При этом молодые гусеницы, серовато-зеленые, с черными точками и светло-желтой полоской на спинной стороне, соскабливают мякоть листа; подросшие особи продырявливают в листьях небольшие дырочки; гусеницы старших возрастов, окрашенные в зеленый цвет, с ярко-черными пятнами и тремя ярко-желтыми полосками, съедают весь лист, кроме крупных жилок. Личинки младших возрастов медведки обыкновенной (Gryllotalpa gryllotalpa) питаются гумусом и корешками растений, прорастающими в гнездовую камеру. Основной пищей личинок старших возрастов и взрослых особей являются дождевые черви, личинки насекомых, подземные части растений, чем наносится большой ущерб культурным растениям, особенно на огородах и в парниках.
Возрастная гетерогенность важна также для обмена информацией между особями и служит целям преемственности в популяции.
4.4. Половая структураПоловая структура – численное соотношение самцов и самок в разных возрастных группах популяции. Характерна для популяций раздельнополых особей (в наиболее четкой форме выражена у членистоногих и позвоночных животных) и двудомных растений, которые в умеренном поясе северного полушария составляют около 4 %. Традиционно половую структуру популяций семенных растений определяют по соотношению особей с пестичными, тычиночными и обоеполыми цветками. Программа развития пестичного и тычиночного цветков достаточно сложна. Пол цветка регулируется концентрацией ауксинов в корнях растений, контролируется уровнем плоидности геномов, а также сигналом, поступающим из внешней среды. Например, у конопли (Cannabis sativa) при низкой освещенности и недостатке влаги появляются с достаточно высокой частотой растения с обоеполыми цветками.
Половая структура динамична, тесно связана с возрастной структурой популяции и условиями жизни особей. Первичное соотношение полов определяется при образовании зигот генетическими механизмами, основывающимися на разнокачественности половых хромосом (X– и У-хромосомы) (рис. 48). У млекопитающих и у многих видов других животных самки гомогаметны (набор половых хромосом XX), а самцы – гетерогаметны (ХУ).
Рис. 48. Схема генетического механизма определения пола на примере слияния гамет у млекопитающих (из И.А. Шилова, 1997)
У птиц и бабочек, наоборот, гетерогаметный пол представлен самками, а самцы гомогаметны. В процессе мейоза возможны разные комбинации половых хромосом, полученных от разных родителей, что и определяет пол каждой особи в потомстве. При этом наблюдается обычно равное соотношение полов (1:1). Единственными представителями млекопитающих, в популяциях которых имеется генетически детерминированный избыток самок, являются лесной лемминг (Myopus schisticolor) и копытный лемминг (Dicrostonyx torquatus). У этих видов помимо Х-хромосомы дикого типа (Х 0) присутствует мутантная хромосома, которая индуцирует развитие особей с кариотипом ХУ по женскому пути. Эти самки широко распространены в популяциях и отличаются плодовитостью.
Однако в процессе развития потенциальные возможности плода нарушаются действием разных причин, и при рождении реальное соотношение мужских и женских особей оказывается иным. Такое соотношение среди новорожденных и ювенильных особей составляет вторичное соотношение полов. Механизм переопределения пола под действием факторов среды, физиологических причин, разной смертности плодов разного пола, которые накладываются на генетическую обусловленность, особенно выражен на зародышевых и личиночных стадиях онтогенеза. Так, у многих видов рептилий ведущее значение для формирования пола имеет температура инкубации яиц. У крокодилов равное количество самцов и самок появляется при температуре в гнезде, равной 32–33 °C. При более низких температурах (ниже 31 °C) развиваются только самки, более высоких (выше 33,5 °C) – только самцы. У морского червя (Bonellia viridis) личинки, свободно плавающие в воде, становятся самками. Личинки, прикрепляющиеся на 4-6-й день развития к хоботку взрослой самки и испытывающие влияние выделяемых ею веществ, развиваются в мужские особи.
Изменение численности мужских и женских особей происходит также в процессе онтогенеза особей в популяции. В результате среди взрослых особей в популяции складывается новое третичное соотношение полов , которое определяется разными причинами. Оно может являться результатом дифференцированной смертности самцов и самок. В связи с повышенной смертностью самцов зубра в Беловежской пуще начиная с 1983 г. наметилась тенденция уменьшения количества половозрелых самцов. Соотношение полов составляет 1:1,6, а среди взрослых особей – 1:2,3. В популяциях редких (исчезающих) птиц больше самцов. Самки часто погибают в гнездах при насиживании. Стресс, большая физическая нагрузка сокращают продолжительность их жизни.
Соотношение полов зависит также от особенностей развития видов. Например, полихета (Ophryotrocha puerilis) и брюхоногий моллюск (Crepidula plana) в начале периода полового созревания при небольших размерах тела являются самцами, а с увеличением размеров начинают продуцировать яйцеклетки. У некоторых видов рыб молодые особи функционируют как самцы, а старые – как самки. Экологически усложненная структура популяций у некоторых видов достигается за счет наличия в популяции карликовых форм наряду с особями обычного размера. У кунджи (Salvelinus leucomaenis) карликовые самцы не совершают обычной для других особей миграции в море. Размножение происходит в юном возрасте. После размножения особи не гибнут, а развиваются дальше как обычная молодь (Яблоков, 1987).
Большую роль в определении пола у двудомных растений играют эколого-ценотические условия, особенно трофность, влажность почвы. Мужские особи доминируют чаще в экстремальных условиях при низком уровне жизненности, что отмечено в ценопопуляциях щавелька (Rumex acetosella) и других травянистых видов. Женские особи требовательнее к богатству почвы. Они преобладали и были заметно выше, по нашим данным, на богатых свежих почвах в ценопопуляциях крапивы двудомной. В некоторых ценопопуляциях женские и мужские особи образуют два полога. Соотношение мужских и женских особей маршанции обыкновенной (Marchanthia polymorpha) зависит от степени увлажнения. С увеличением увлажнения заметно возрастает доля мужских особей.
Показатели соотношения полов весьма различны у разных видов. У многих млекопитающих, рыб третичное соотношение – 1:1, у человека вторичное соотношение – 1:1, но с возрастом смещается в сторону женщин в связи с их большей продолжительностью жизни. Вторичное соотношение полов в популяциях пингвинов – 1:1, третичное – 1:2. У серого варана на 65 самцов приходится 22 самки. Избыток самок наблюдается в популяциях леммингов. У летучих мышей после зимовок доля самок порой снижается до 20 %, а у некоторых птиц (фазаны, большие синицы) более высокая смертность характерна для самцов. По данным Ф.С. Кохманюка, в 1976 г. в минской, гродненской и армавирской популяциях колорадского жука преобладали самки (свыше 90 %); в гомельской, брестской и сочинской – самцы (70–91 %). В следующем году в гродненской популяции вида соотношение полов составило 1:1.
В популяциях выражена индивидуальная тенденция изменения соотношения полов. Это явление, весьма динамичное и многофакторное, ведет к усложнению структуры популяции. Каждая популяция характеризуется не только определенным численным соотношением особей мужского и женского пола в разных возрастных структурах, но и долей разного типа самцов и самок, долей стерильных особей, а также особей с разными наборами половых хромосом (Яблоков, 1987). Соотношение полов определяет интенсивность размножения и общий биологический потенциал популяции (Шилов, 1997).
В.Н.Болыпаков и Б.С. Кубанцев, обобщая материал по особенностям половой структуры животных, выделяют четыре типа динамики половой структуры популяции.
Неустойчивый половой состав свойствен животным с коротким жизненным циклом, высокой плодовитостью и смертностью (среди млекопитающих характерен для видов отряда насекомоядные). Соотношение полов (вторичное и третичное) меняется часто в разных местообитаниях и в относительно короткие промежутки времени.
Состав с преобладанием самцов характерен для хищных животных с выраженной формой заботы о потомстве, популяции которых не достигают высокой плотности.
Состав с преобладанием самок отмечается у таких животных, самцы которых имеют меньшую продолжительность жизни и при неблагоприятных условиях частично отмирают. Жизнь самок продолжительнее, плодовитость невысокая (копытные, ластоногие).
Состав с относительно одинаковым числом самцов и самок характерен для узкоспециализированных животных, нередко с высокой плодовитостью (выхухоль, крот, бобр и др.).
Биологическая разнокачественность мужских и женских особей. Природа пошла по пути разделения полов, допуская, как выражается Шварц (1980), удивительную расточительность, разделяя особи вида на две генетически различные группы (самцов и самок). Различия физиологические ведут к разнообразию экологическому, что является гарантией поддержания гетерогенности популяции, особенно в крайне неблагоприятных условиях среды.
Биологическая разнокачественность мужских и женских особей проявляется в степени устойчивости по отношению к факторам среды, в особенностях роста, сроках полового созревания, поведенческих реакциях, образе жизни. Женские особи растений отличаются большими размерами, длиной побегов, размерами и формой листьев, строением кроны, лучшим развитием корневых систем, более высокой регенерационной способностью, а также большей требовательностью к богатству почвы и к ее водному режиму. В связи с большей степенью обводненности тканей они являются более мезофильными организмами. Мужские особи характеризуются большей засухоустойчивостью, чувствительностью к неблагоприятным воздействиям низкой температуры, инфекции, ядовитого вещества. Половые различия у животных выявлены даже по отношению к накоплению тяжелых металлов, например у самцов жука-плавунца (Dytiscus marginalis). У отдельных видов имеются различия в питании, чем снижается внутривидовая конкуренция. Так, самки комаров (семейства Culicidae) кровососущи, а самцы либо не питаются совсем, либо питаются только росой или нектаром. Неодинаковая длина клюва у самцов и самок некоторых птиц дает возможность особям вида питаться разными насекомыми, а разная форма клювов упрощает соответственно совместную добычу насекомых из-под коры.
М.Г. Попов (1983) полагал, что половой процесс не имеет первичной целью размножение, характерен для высокоорганизованных существ, но даже они, например насекомые, могут развиваться и без оплодотворения. Попов считал его «постоянным аппаратом изменчивости», обеспечивающим приспособление.
