Структура и уровни биоразнообразия
На каждом уровне биологического разнообразия – генетическом, видовом и разнообразии сообществ (экосистемном) специалисты изучают механизмы, которые изменяют или сохраняют разнообразие.
Генетическое разнообразиепредставляет собой объем генетической информации, содержащийся в генах организмов, населяющих Землю.
Генетическое внутривидовое разнообразие часто обеспечивается репродуктивным поведением особей внутри популяции. Популяция – это группа особей одного вида, обменивающихся генетической информацией между собой и дающих плодовитое потомство. Вид может включать одну или более отдельных популяций. Популяция может состоять как из нескольких особей, так и из миллионов.
Особи внутри популяции обычно генетически отличаются друг от друга. Генетическое разнообразие связано с тем, что особи обладают незначительно отличающимися генами – участками хромосом, которые кодируют определенные белки. Варианты гена известны как его аллели. Различия возникают при мутациях – изменениях в ДНК, которая находится в хромосомах конкретной особи. Аллели гена могут по-разному влиять на развитие и физиологию особи. Селекционеры сортов растений и пород животных, отбирая определенные генные варианты, создают высокоурожайные, устойчивые к вредителям виды, например зерновых культур (пшеницы, кукурузы), домашнего скота и птицы.
Генетическое разнообразие в популяции определяется как числом генов с более чем одним аллелями (так называемых полиморфных генов), так и числом аллелей каждого полиморфного гена. Существование полиморфного гена приводит к появлению в популяции гетерозиготных особей, получающих от родителей различные аллели гена. Генетическая вариабельность позволяет видам адаптироваться к изменениям окружающей среды, например, повышению температуры или к вспышке нового заболевания. В целом установлено, что редкие виды имеют меньшее генетическое разнообразие, чем широко распространенные, и соответственно они более подвержены угрозе вымирания при изменении условий окружающей среды.
Видовое разнообразие включает весь набор видов, обитающих на Земле. Существует два основных определения понятия вида. Первое: вид представляет собой совокупность особей, которая по тем или иным морфологическим, физиологическим или биохимическим характеристикам отличается от других групп. Это морфологическое определение вида. Сейчас для различения видов, которые внешне практически идентичны (например, бактерии), все чаще используют различия в последовательности ДНК и другие молекулярные маркеры. Второе определение вида – это совокупность особей, между которыми происходит свободное скрещивание, но при этом отсутствует скрещивание с особями других групп (биологическое определение вида).
Трудности, связанные с описанием новых для науки видов, заставляют нас с осторожностью оценивать их общую численность. Число видов животных и растений, известных науке, возросло с 11 тыс. во времена К. Линнея до 2 млн в наши дни и продолжает расти. Постоянно ученые описывают и называют новые виды животных, растений и микроорганизмов. Точное число обитающих на нашей планете видов не может привести никто, но известно, что число видов животных значительно превосходит число видов растений, грибов и бактерий. Известно также, что среди животных по числу зарегистрированных видов лидируют насекомые. Их многообразие таково, что по числу видов они превосходят не только всех остальных животных, но также растения и микроорганизмы вместе взятые. В царстве растений пальму первенства уверенно держат покрытосеменные, или цветковые.
Разнообразие экосистем касается различных сред обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере, а также огромного разнообразия сред обитания и процессов в рамках экосистемы.
Количественные показатели биоразнообразия в экосистемах сильно варьируют в зависимости от влияния различных факторов. Следует обратить внимание на то, что в биоценоз входят не только виды, постоянно обитающие в экосистеме, но и виды, проводящие в ней только часть своего жизненного цикла (например, личинки комаров, стрекоз).
Всякий ландшафт на земном шаре претерпевает изменения под действием климатических условий. Огромно влияние на них растительного мира. Ландшафты во всем их разнообразии формировались на протяжении многих тысячелетий и в результате деятельности человека. Они непрерывно изменяются благодаря постоянным поискам эффективных форм землепользования и добычи полезных ископаемых. Человек строит города и прокладывает дороги. Таким образом, ландшафты состоят из ряда природных и культурных элементов. Они воплощают в себе коллективную память природы и тех, кто ее населяет, образуя сложный элемент окружающей среды.
Вопросы для самоконтроля:
1. Кто и когда впервые применил словосочетание «биологическое разнообразие»?
2. Что представляет собой Конвенция о биологическом разнообразии?
3. Значение биоразнообразия для биосферы и человека.
4. Какие уровни биологического разнообразия вам известны?
5. Охарактеризуйте основные принципы Орхусской Конвенции.
ЛЕКЦИЯ № 12
Тема: Причины сокращения биологического разнообразия
Цель лекции: выявить причины скоращения биоразнообразия, их темпы и подверженность отдельных видов к вымиранию
Ключевые слова: популяция, сохраниение, деградация, потепление, проблемы, катастрофа, изменение, вид, исчезновение, деградация и др.
Основные вопросы (положения) и краткое содержание:
1. Темпы исчезновения видов
2. Причины вымирания видов
3. Подверженность к вымиранию
Темпы исчезновения видов
Самый существенный вопрос для биологии сохранения природы – это как долго сможет данный вид продержаться до полного исчезновения, вслед за крайним сокращением численности, деградацией или фрагментацией его местообитания? Когда численность популяции снижается до определенного критического уровня, вероятность его исчезновения становится очень высокой. В некоторых популяциях отдельные оставшиеся особи могут прожить годы или десятилетия и даже размножаться, но все равно их дальнейшая судьба – исчезновение, если только не будут приняты решительные меры по их сохранению. В частности, среди древесной растительности последние изолированные нерепродуктивные экземпляры вида могут просуществовать сотни лет. Такие виды называют потенциально исчезнувшими: даже если формально вид еще не вымер, но популяция более не способна размножаться, и будущее вида ограничено временем жизни оставшихся экземпляров. Чтобы успешно сохранять виды, ученым необходимо выявлять те виды человеческой деятельности, которые влияют на устойчивость популяций и приводят к вымиранию видов. Они также должны определить факторы, усиливающие подверженность популяций вымиранию.
Первое заметное влияние деятельности человека на темпы исчезновения проявилось на примере уничтожения крупных млекопитающих в Австралии, Северной и Южной Америке людьми, заселившими эти континенты тысячи лет назад. Вскоре после появления там человека от 74 до 86 % мегафауны – млекопитающих, весивших более 44 кг, – в этих областях исчезло. Это, возможно, было непосредственно связано с охотой и косвенно с выжиганием и расчисткой лесов, а также с распространением принесенных заболеваний. На всех континентах и многочисленных островах существуют разнообразные яркие свидетельства того, что изменение и разрушение мест обитания, производимые доисторическим человеком, совпадают с высокими темпами исчезновения видов.
В настоящее время лучше всего изучены темпы исчезновения птиц и млекопитающих, поскольку эти относительно крупные животные хорошо заметны. Темпы исчезновения остальных 99,9% существующих в мире видов остаются на сегодняшний день достаточно приблизительными. Но и масштабы исчезновения птиц и млекопитающих определены весьма неточно, поскольку некоторые считавшиеся исчезнувшими виды были вновь обнаружены, а другие, напротив, считавшиеся еще существующими, могут в действительности оказаться вымершими. По наиболее точной оценке имеющихся данных, с 1600 года исчезло около 85 видов млекопитающих и 113 видов птиц, что составляет 2,1% существовавших в этот период видов млекопитающих и 1,3% птиц. На первый взгляд эти цифры сами по себе не кажутся тревожными, но пугающей стала тенденция к возрастанию темпов исчезновения за последние 150 лет. За период с 1600 до 1700 темпы исчезновения птиц и млекопитающих составляли примерно один вид в десятилетие, а за период от 1850 года до 1950 года они возросли до одного вида в год. Такое увеличение темпов исчезновения видов говорит о серьезной угрозе, нависшей над биологическим разнообразием.
В то же время есть некоторые свидетельства того, что за последние десятилетия произошло снижение темпов исчезновения птиц и млекопитающих. Частично это можно отнести за счет предпринимаемых усилий по спасению видов от исчезновения, но в то же время здесь кроется и иллюзия, созданная благодаря принятой международными организациями процедуре, согласно которой вид считается вымершим только в том случае, если его не встречали более 50 лет или если специально организованные поиски не позволили обнаружить ни одного оставшегося экземпляра. Многие виды, формально еще не окончательно исчезнувшие, сильно подорваны деятельностью человека и сохранились только в очень малом числе. Эти виды могут считаться экологически исчезнувшими, поскольку они больше не играют роли в организации сообщества. Будущее многих таких видов сомнительно.
Около 11% оставшихся видов птиц в мире находится под угрозой вымирания; близкие показатели получены для млекопитающих и деревьев. Столь же велика опасность исчезновения для некоторых пресноводных рыб и моллюсков. В тяжелом положении находятся и виды растений. Особенно уязвимы голосемянные (хвойные, гинкго, саговники) и пальмы. Хотя вымирание является естественным процессом, более 99% случаев исчезновения современных видов можно отнести на счет деятельности человека.
Причины вымирания видов
Главные угрозы биологическому разнообразию, вытекающие из деятельности человека, заключаются в разрушении мест обитания, их фрагментации и деградации (включая загрязнение), в глобальном изменении климата, чрезмерной эксплуатации видов человеком, вторжении экзотических видов и увеличивающемся распространении болезней. Большинство видов стоит перед лицом, по крайней мере, двух или более из этих проблем, которые ускоряют их вымирание и препятствуют усилиям по их защите.
Все перечисленные семь угроз вызваны увеличивающимся использованием природных ресурсов при экспоненциально растущей численности людей. До последних нескольких сотен лет рост численности населения был относительно медленным, уровень рождаемости лишь слегка превышал уровень смертности. Самое большое разрушение биологических сообществ произошло за последние 150 лет, когда население Земли выросло от 1 млрд чел. в 1850 году до 2 млрд чел. в 1930, и на 12 октября 1998 года составило 6 млрд чел.
Разрушение мест обитания.Главная угроза биологическому разнообразию состоит в нарушении мест обитания. Во многих частях мира, особенно на островах и в областях с высокой плотностью населения, большинство первичных местообитаний уже разрушено. В странах Старого Света, таких как Кения, Мадагаскар, Индия, Филиппины и Таиланд, более 50% ключевых для биологического разнообразия лесных местообитаний разрушено.
Многие очень ценные дикие виды потеряли большую часть своего первичного ареала, и лишь немногие из оставшихся мест обитания находятся под охраной. Например, орангутан (Pongo pygmaeus), крупная обезьяна, обитающая на Суматре и Борнео, лишился 63% своих мест обитания, а под защитой находится только 2% его исходного ареала.
Фрагментация мест обитания -это процесс, при котором сплошная площадь местообитания одновременно сокращается и распадается на два или более фрагмента. Разрушение местообитания может не затронуть лишь локальные территории. Эти фрагменты часто отделены один от другого измененными или деградированными формами ландшафта.
Фрагменты отличаются от исходного сплошного местообитания тем, что: 1) фрагменты имеют относительно большую протяженность пограничных зон, смежных с человеческой деятельностью и 2) центр каждого фрагмента расположен близко от края.
Фрагментация мест обитания угрожает существованию видов и более сложным образом. Прежде всего, фрагментация ограничивает возможности видов к расселению. Многие виды птиц, млекопитающих и насекомых, обитающие в глубине леса, не могут пересечь даже узкие полосы открытого пространства из-за опасности попасться хищнику.
Второй опасный аспект фрагментации местообитания заключается в том, что сокращается арена поиска корма для многих типичных животных. Многим видам животных, представленных отдельными особями или социальными группами, которые кормятся широко рассеянными или сезонно доступными кормами и пользуются сезонно распределенными источниками воды, необходима свобода передвижения по обширному пространству. Спасительный ресурс может использоваться только несколько недель в году или даже раз в несколько лет, но при фрагментации местообитания, изолированные виды лишены возможности мигрировать внутри своего естественного ареала в поисках этого редкого, но порой столь важного ресурса. Например, изгороди могут воспрепятствовать естественной миграции крупных травоядных животных, таких как гну или бизоны, заставляя их пастись на одном месте, что, в конце концов, приводит животных к голодной смерти и к деградации местообитания.
Фрагментация мест обитания, кроме того, может ускорять исчезновение популяций, поскольку в результате широко распространенная популяция распадается на две или более изолированных субпопуляций. Эти маленькие популяции попадают под действие характерных для них процессов инбридинга и дрейфа генов. Если на большой площади местообитания может нормально жить одна целостная большая популяция, то часто ни один из ее фрагментов не может поддерживать субпопуляцию достаточно крупную для длительного устойчивого существования.
Краевой эффект.Как показано выше, фрагментация мест обитания сильно увеличивает долю пограничных местообитаний по отношению к внутренним. Эти пограничные, “опушечные” микросреды отличаются от внутренней лесной части фрагментов. Краевые местообитания характеризуются большими колебаниями уровней освещенности, температуры, влажности и скорости ветра.
Эти краевые эффекты распространяются в глубь леса до 250 м. Поскольку некоторые виды животных и растений очень узко приспособлены к определенным уровням температуры, влажности и освещенности, они не выдерживают возникшие перемены и исчезают в лесных фрагментах. Теневыносливые виды диких цветковых растений в лесах умеренного климата, позднесукцессионные виды деревьев тропического леса и такие чувствительные к уровню влажности животные, как амфибии, могут очень быстро исчезать из-за фрагментации местообитания, что в конечном итоге приводит к сдвигам в видовом составе сообщества.
Из-за фрагментации леса увеличивается продуваемость ветром, понижается влажность и повышается температура и, как следствие, увеличивается опасность пожаров. Пожары могут перекидываться на лесные фрагменты мест обитания с окрестных сельскохозяйственных угодий, где, например, пускают палы при сборе сахарного тростника, или при подсечно-огневом земледелии.
На Борнео и в Бразильской Амазонии миллионы гектаров влажных тропических лесов сгорели во время необычно сухого периода в 1997 и 1998 годах. К этой экологической катастрофе привела комбинация факторов, обусловленных фрагментацией лесов в результате сельскохозяйственной деятельности и мозаичного расселения и связанного с этим рассеянного скопления мусора и, соответственно, вспышек локальных пожаров.
Изолированные местообитания более подвержены инвазии как экзотических видов, так и паразитов исходных видов. Край леса – это нарушенная среда, в ней могут легко без конкуренции обосноваться паразитические виды, увеличиться в численности и затем заселить внутреннюю часть фрагмента. Такие всеядные животные, как еноты, скунсы, голубые сойки могут расплодиться вдоль опушки леса, одинаково успешно эксплуатируя в поисках корма как первичные, так и нарушенные местообитания. Эти агрессивные виды поедают яйца и разоряют гнезда лесных птиц, часто препятствуя успешному воспроизводству многих видов на сотни метров от ближайшей опушки леса. Гнездовой паразит воловья птица (Molothrus ater), обитающий в полях и в пограничных местообитаниях, использует последние как стартовую позицию для инвазии внутрь леса, где их птенцы уничтожают яйца и птенцов лесных певчих птиц. Сочетание фрагментации мест обитания, усиление пресса хищников, уничтожающих гнезда и разрушения тропических мест зимовки, возможно, стало причиной катастрофического спада численности некоторых видов мигрирующих певчих птиц Северной Америки, таких как голубой певун (Dendroica cerulea) на востокеСША. Некоторые виды птиц в Северной Америке и в Европе в ответ на изменяющиеся схемы землепользования (сельскохозяйственная или лесохозяйственная деятельность) на конкретном региональном уровне могут либо увеличивать, либо уменьшать свою численность.
Фрагментация мест обитания делает, кроме всего прочего, неизбежным контакт диких животных и растений с домашними. В результате болезни домашних животных быстро распространяются среди диких видов, лишенных соответствующего иммунитета. Следует иметь в виду, что такой контакт обеспечивает и передачу заболеваний от диких видов растений и животных к домашним, и даже к человеку.
Деградация и загрязнение мест обитания.Загрязнение окружающей среды является наиболее универсальной и жесткой формой ее разрушения. Чаще всего его вызывают пестициды, удобрения и химикаты, промышленные и городские сточные воды, газовые выбросы заводов и автомобилей, и отложения, намытые с возвышенностей. Например, в случае с массовыми разливами нефти и 500 пожарами на нефтяных скважинах, имевшими место в ходе войны в Персидском заливе, но наиболее угрожающими являются скрытые формы загрязнения, главным образом потому, что их действие проявляется не сразу.
Чрезмерная истощительная эксплуатация ресурсов.Для того чтобы выжить, человек всегда занимался охотой, сбором плодов, использовал природные ресурсы. До тех пор, пока численность населения была невелика и его технологии примитивны, человек мог устойчиво использовать его окружающую среду, охотиться и собирать урожай, не доводя нужные виды до исчезновения. Однако по мере увеличения народонаселения нагрузка на окружающую среду усилилась. Методы выращивания урожая стали несравненно более масштабными и эффективными, и привели к почти полному вытеснению крупных млекопитающих из многих биологических сообществ, в результате появились странно “пустые” местообитания. В тропических лесах и саваннах охотничьи ружья вытеснили луки, дротики и стрелы. Во всех океанах мира для ловли рыбы используются мощные рыболовные моторные суда и рыбоперерабатывающие “плавбазы”. Люди, занимающиеся мелким рыболовецким бизнесом, оснащают свои лодки и каноэ навесными моторами, что позволяет им собирать улов быстрее и с большей территории, чем это было возможно раньше.
В традиционных обществах часто вводятся ограничения на чрезмерную эксплуатацию природных ресурсов: строго контролируются права на использование сельскохозяйственных земель; запрещена охота на определенных территориях; существуют запреты на уничтожение самок, молодняка и животных с низкой численностью; не разрешается сбор плодов в определенные сезоны года и время суток или запрещаются варварские методы сбора. Эти виды ограничений позволяют традиционным обществам использовать природные ресурсы на долговременной устойчивой основе, как, например, при введении жестких ограничений на лов рыбы, разработанных и предложенных рыбному хозяйству многих промышленно развитых стран.
Инвазивные виды.Географические ареалы многих видов ограничены главным образом природными и климатическими барьерами. Млекопитающие Северной Америки не способны пересечь Тихий океан и достичь Гавайев, рыбы Карибского моря не могут пересечь Центральную Америку и достигнуть Тихого океана, а пресноводные рыбы из одного африканского озера никак не могут пересечь сушу и попасть в другие соседние изолированные озера. Океаны, пустыни, горы, реки – все они ограничивают передвижение видов. Благодаря географической изоляции пути эволюции животных в каждой части света проходили по-своему. Интродуцировав в эти фаунистические и флористические комплексы чуждые виды, человек нарушил естественный ход событий. В доиндустриальные эпохи человек, осваивая новые территории, приносил сюда с собой культурные растения и домашних животных. Европейские моряки, чтобы обеспечить себя пищей на обратном пути, оставляли на необитаемых островах коз и свиней. В современную эпоху, намеренно или случайно, огромное множество видов интродуцировано в те области, где их никогда не было. Интродукция многих видов была обусловлена следующими факторами.
· Европейская колонизация. Прибывая на новые места поселений в Новой Зеландии, Австралии, южной Африке, и желая сделать окрестности более привычными для взгляда и обеспечить себя традиционными развлечениями (в частности, охотой), европейцы завезли туда сотни европейских видов птиц и млекопитающих.
· Садоводство и сельское хозяйство. Большое число видов декоративных растений, сельскохозяйственных культур и пастбищных трав интродуцируется и выращивается в новых областях. Многие из этих видов “вырвались на свободу” и обосновались в местных сообществах.
· Случайный привнос. Виды часто транспортируются человеком непреднамеренно. Типичные примеры тому – семена сорняков, случайно собранные вместе с урожаем культурных растений и высеянные затем на новом месте; крысы и насекомые, путешествующие на кораблях и самолетах; болезнетворные и паразитические организмы, переносимые их хозяевами. Вместе с балластом корабли часто привозят экзотические виды.
Болезни.Инфекции, вызываемые болезнетворными организмами, обычны и для диких, и для содержащихся в неволе видов. Три основных принципа эпидемиологии имеют очевидное практическое применение при разведении видов в неволе и управлении редкими видами. Во-первых, и дикие, и содержащиеся в неволе животные в плотных популяциях подвергаются большему риску заражения. Во-вторых, подверженность организма к заболеванию может быть косвенным результатом разрушения местообитания. Когда из-за разрушения места обитания популяция хозяина скапливается на небольшой площади, это часто приводит к ухудшению качества среды и уменьшению количества корма, что приводит к неполноценному питанию, ослаблению животных и, соответственно, к их большей подверженности инфекциям. В-третьих, на многих охраняемых территориях, в зоопарках, национальных парках и в новых сельскохозяйственных областях дикие животные входят в контакт с новыми видами, в том числе с человеком и домашними животными, с которыми в природе они сталкиваются редко или вообще никогда и, соответственно, обмениваются с ними возбудителями.
Некоторые опасные инфекционные заболевания, такие как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) и вирус Эбола, вероятно, распространились из популяций диких животных к домашним и человеку. Будучи однажды инфицированными экзотическими заболеваниями, животные не могут быть возвращены из неволи в дикую природу без угрозы заразить всю дикую популяцию.
В начале 90-х годов в Национальном Парке Серенгети в Танзании около 25% львов погибло от собачьей чумки, очевидно заразившись в результате контакта с одной или более из 30 тыс. домашних собак, живущих около парка. Болезни могут поражать и более обычные виды: североамериканский каштан (Castanea dentata), очень широко распространенный на всей западной части США, в этом регионе был фактически уничтожен грибами-актиномицетами, попавшими сюда с китайским каштаном, завезенным в Нью-Йорк. Сейчас интроду-цированные грибы губят кизил флоридский (Cornus florida) на большей части его естественного ареала.