Сигнальные взаимоотношения организмов

При горизонтальных взаимоотношениях организмы соревнуются за потребление ресурсов, при вертикальных взаимоотношениях эти ресурсы вещества и энергии передаются по цепям «растение – фитофаг – зоофаг» или «хозяин – паразит». При мутуализме организмы обмениваются веществом и энергией на взаимовыгодных условиях, что повышает их выживаемость. Иногда взаимоотношения могут быть полезны для одного вида, но не вредят другому.

Кроме этих «материальных» взаимоотношений между организмами существует сложная система сигнальных взаимоотношений, которые влияют на распределение ресурсов или их передачу по пищевым цепям. Организмы используют различные сигналы.

Зрительные сигналы. Такие сигналы воспринимаются органами зрения. Примеры зрительных сигналов: яркая окраска венчика цветка, привлекающая опылителя; оранжевые пятна на брюшке жерлянки, предупреждающие о горьком вкусе; пестрая окраска ос и шмелей, говорящая об их защищенности. Большую роль во взаимоотношениях растений и насекомых-опылителей играет не только окраска, но и величина цветка или всего соцветия. К примеру, у растений из семейства сложноцветные или зонтичные сигнал подает не один цветок, а все соцветие, которое видно насекомому с большого расстояния. К зрительным сигналам относятся угрожающие позы и знаки животных (вздыбленная шерсть, оскал).

Звуковые сигналы. Эти сигналы подают друг другу птицы, сообщающие о том, что гнездовой участок занят (пение), или о том, что появилась опасность, к которой нужно подготовиться (спрятаться или коллективно изгнать незваного гостя). Сигналом, предотвращающим стычку самцов, является рычание хищников. Обмениваются звуковыми сигналами насекомые (трещание кузнечиков, «пение» цикад). Дельфины и некоторые насекомые обмениваются сигналами на частотах, недоступных уху человека.

Химические сигналы. Этот способ взаимного оповещения организмов очень широко распространен в природе. Сигнальные вещества животных называются феромонами. Животные выделяют феромоны в окружающую среду и таким путем влияют на поведение особей того же вида. Эти вещества действуют при очень низких концентрациях, так как обладают сильным запахом. Различают несколько видов феромонов.

Половые феромоны облегчают встречу особей одного вида для спаривания, они важны для всех животных. Общеизвестны специфические феромоны для мечения территории, которые содержатся в моче собак, волков, представителей кошачьих и др.

Агрегационные феромоны помогают животным собраться вместе в большую группу (например, с их помощью собирается вместе население муравейника).

Выделение феромонов тревоги стимулирует уход особей с опасного участка территории (такие феромоны обнаружены у рыб, ящериц).

В настоящее время наиболее изучены феромоны насекомых. Причем оказалось возможным синтезировать многие сигнальные вещества и использовать их в качестве приманок. Специальные ловушки, внутри которых находятся источники выделения половых и агрегационных феромонов, позволяют заманивать и уничтожать вредителей сада или леса экологически безопасным способом, без применения гербицидов.

Большую роль во взаимоотношениях растений и насекомых играют запахи, привлекающие опылителей или, напротив, отпугивающие фитофагов.

Химические взаимоотношения между растениями называются аллелопатией. Выделения одного растения в атмосферу и особенно из корней в почву могут сдерживать рост другого растения. Однако, поскольку условий для накопления этих веществ в атмосфере и почве нет (их концентрацию постоянно уменьшают ветер и вода), роль аллелопатических взаимоотношений невелика. Они лишь помогают более равномерному размещению корней в почве, так как выделения одного корня для другого являются сигналом, подобным пению птиц: «Занято».

Исключение составляют взаимоотношения растений-хозяев и растений-паразитов (заразиха, повилика, стрига и др.). Для прорастания семени растения-паразита, которое само не способно дать проросток, необходим химический сигнал от корня растения-хозяина. Эти взаимоотношения используются для организации контроля плотности популяции сорняков-паразитов. Ученые раскрыли химический состав сигнальных веществ. Их производят на заводах и вносят на поля для «обмана» семян паразитов. Семена прорастают и, лишенные пищи, которую они должны получать от корня растения-хозяина, погибают.

Контрольные вопросы

1. Какие сигналы используют организмы при взаимоотношениях?

2. Как используются знания о феромонах в сельском хозяйстве?

2. Что такое аллелопатия и какова ее роль в природе?

Справочный материал

При помощи химических и зрительных сигналов у растений и насекомых-опылителей возникают очень устойчивые симбиотические связи. «Рекордсмены» по таким связям – представители семейства орхидных, которые растут и в лесах России, но особенно разнообразны в тропиках. Некоторые орхидные имитируют запахи половых феромонов, «одураченные» самцы-опылители летят на цветок в надежде на встречу с самкой и опыляют его.

Звуковые сигналы используют для управления поведением птиц. Трансляция записанного на магнитофон сигнала тревоги или крика хищной птицы помогает отпугнуть птиц от полей, аэродромов или других мест, где их присутствие нежелательно. Запись голоса курицы-наседки может улучшить аппетит инкубаторских цыплят.

Экологическая ниша

Автотрофные организмы экосистемы усваивают солнечную энергию и производят органическое вещество, которое перерабатывается гетеротрофами. Редуценты разлагают органическое вещество, возвращая составляющие его минеральные элементы в почвенный раствор. В этом сложнейшем «производстве» участвуют популяции разных видов. Каждая популяция занимает некоторое пространство и потребляет различные ресурсы в определенное время (в разное время суток, в разные сезоны года). Совокупность всех факторов среды, в пределах которых возможно существование популяции (местообитания, используемых ею ресурсов и ритма их потребления в экосистеме), называется экологической нишей.

Крупный американский эколог Ю. Одум очень удачно назвал экологическую нишу профессией вида в экосистеме. Действительно, она отражает то, из каких веществ (неорганических, органических веществ живых растений или животных, детрита), какую продукцию и для какого потребителя производит вид (то есть кого вид ест и кто ест его). Кроме того, экологическая ниша включает и «график работы»: есть животные ночные (сова, летучая мышь) и дневные; работающие «круглый год» и «уходящие в отпуск» на холодный период (медведь); постоянно работающие «на одном месте» и подрабатывающие часть года «на стороне» (птицы, мигрирующие в холодное время года в теплые края).

Разделение популяциями разных видов пространства и ресурсов называется дифференциацией экологических ниш. Это наиболее наглядно у животных. Представители разных видов имеют неодинаковые рационы питания. Птицы потребляют разные плоды и семена растений, ловят разных насекомых и червей. Различаются рационы и у грызунов, и у более крупных млекопитающих. Легко наблюдать дифференциацию ниш в экосистеме озера: организмы одних видов активно плавают (нектон) или пассивно «парят» (планктон) в толще воды, а другие ведут придонный образ жизни (бентос). И у разных видов нектона, планктона и бентоса пища неодинакова.

Растения имеют один тип питания: практически у всех видов пищевой рацион включает раствор минеральных веществ, диоксид углерода и солнечный свет. Тем не менее, и у них экологические ниши дифференцированы. Есть растения светолюбивые и теневыносливые; их корневые системы расположены на разной глубине; им требуются различные элементы минерального питания и неодинаковое количество воды; в разное время они цветут и плодоносят; имеют собственных опылителей.

Главный результат дифференциации ниш – снижение конкуренции. Теневыносливые растения не конкурируют со светолюбивыми, а довольствуются полумраком под пологом деревьев. Менее остра конкуренция за ресурсы почвенного питания между растениями, если корневая система одного из них сконцентрирована у поверхности почвы, а другого – уходит в более глубокие слои. Во время цветения растениям требуется особенно много ресурсов, и цветение по очереди также снижает конкуренцию.

Принцип дифференциации экологических ниш используется в сельском хозяйстве: выращивание совместно нескольких сортов или даже нескольких видов растений (так называемые сортосмеси и поликультуры) позволяет за счет снижения конкуренции между культурными растениями и более полного использования ресурсов почвы и света повышать урожай. При этом отсутствие свободных ниш снижает .засоренность посевов, и можно обходиться без гербицидов.

Дифференциация ниш у животных может сопровождаться сигналами, извещающими о том, что участок занят (волки и лисы метят мочой стволы деревьев, птицы поют), а у растений, как правило, нет специальных сигнальных механизмов для отграничения своей экологической ниши, хотя некоторые могут выделять в атмосферу или почву вещества, препятствующие росту соседей.

Примером разделения экологических ниш являются ярусы в лесу (рис. 44): в каждом ярусе (древесном, подлеске, кустарниковом, травяном, моховом) – свое население, хотя некоторые организмы могут использовать разные ярусы (белки живут в основном на деревьях, но спускаются и в ярус кустарников, а иногда и на землю). В разных ярусах – разный режим освещения, но растения одного яруса могут иметь разную по глубине корневую систему. В почве различаются ниши хорошо аэрированного слоя у поверхности и более глубоких слоев, где воздуха мало. Особым слоем-нишей является подстилка – опавшие полусгнившие листья на поверхности почвы.

Контрольные вопросы

1. Что дает экосистеме дифференциация экологических ниш у организмов разных видов?

2. Есть ли различия в дифференциации ниш у видов животных и растений?

3. Объясните, как связаны дифференциация ниш и ярусность в лесу?