Животные, их место в биосфере

Мир животных поражает красотой своих форм и красок, совершенством движений, удивительным разнообразием и неповторимостью каждого биологического вида.

Еще удивительнее приспособленность животных к их жизненным условиям, отсутствие в природе лишнего, слаженность «работы» всего животного населения, направленной на «благополучие» биогеоценозов — качественно определенных участков, из которых слагается тонкая оболочка нашей планеты, где существует жизнь, — биосфера.

Биомасса, т. е. общий вес животных нашей планеты, относительно мала и составляет около 2% всего живого. Однако роль животных в биосфере исключительна. Она определяется высоким уровнем энергетических процессов у животных, их большой подвижностью и огромным разнообразием. В настоящее время известно около 2 млн. видов животных, в то время как растений — лишь 400 тыс. видов.

Структура современного животного мира

Вместе с тем небольшая, сравнительно с растениями, биомасса животных в количественных показателях огромна.

Например, в 1 га почвы леса живет до 2,5 млн. дождевых червей, до б млн. насекомых, более 400 млн. клещей и ногохвосток, более 1 млн. моллюсков и множество других беспозвоночных, образующих общую биомассу до 1000 кг. Общая же биомасса почвенных животных всей суши Земли составляет 2,5 млрд. т. Численность только насекомых нашей планеты достигает 10¹⁸ особей. На ка дед ого человека одних лишь комаров и мух приходится не менее 200 млн. особей различных видов. Есть такие районы, например у нас в тайге, где над каждым гектаром пищит 5 кг комаров. Биомасса травоядных млекопитающих в саваннах и степях достигает 250 кг на гектар; птиц в лесах умеренного климата — 1,5 кг. Общая биомасса животного мира составляет 0,023•10¹² т, и все животное население Земли ежегодно производит около 1,5 млрд. т биомассы.

Все же главная особенность животного мира биосферы Земли заключена в его многообразии, или, как говорят экологи, в его организованной разнородности.

Место животных в биогеоценозах. Многообразие видов животных чрезвычайно важно для основного процесса в биосфере — биологического круговорота веществ и энергии. Каждый биогеоценоз включает фотосинтезирующие растения (продуценты), потребляющих их животных (консументы) и организмы, разрушающие мертвые растения и животных, возвращающие почве питательные вещества (редуценты). Иными словами, биогеоценоз — это как бы биосфера в миниатюре. В любом биогеоценозе один вид животных не способен расщепить органическое вещество растений до конечных продуктов. Каждый вид использует лишь часть растений и некоторые содержащиеся в них органические вещества. Растения, непригодные для этого вида животных, или остатки растений, еще богатые энергией, используются другими видами животных. Так складываются сложные и сложнейшие цепи и сети питания. Из фотосинтезирующих растений животные последовательно извлекают вещества и энергию.

Пищевые (трофические) цепи и сети сложны, поскольку один вид животных может использовать для питания различные виды (часто из различных трофических уровней). В процессе эволюции животные приспособились к оптимальному для каждого биогеоценоза использованию кормовых объектов, и каждый из видов приспособлен к тому, что он является кормом для ряда других видов. В сложнейшей структуре биогеоценоза животные, как подвижный, активный элемент, в значительной мере определяют его устойчивость. Находясь в зависимости от растений, животные в свою очередь определяют их жизнь, а также структуру и состав почв, облик ландшафта.

Самая разнообразная и многочисленная группа животных — насекомые — имеет и наибольшее значение в биогеоценозах. Большинство цветковых растений опыляется насекомыми. Без них среди растений господствовали бы хвойные и другие голосемянные, папоротники и мхи. Многие рыбы, птицы и звери существуют за счет насекомых. Большое значение имеют насекомые в формировании почв, в разложении животных остатков, зарывании навоза в почву. Например, с завозом в Австралию домашнего скота местные жуки-навозники не трогали их навоз, который оставался годами на поверхности. Покрывая поверхность степей, он делал непригодными их как пастбища: обычная трава переставала расти, а вместо нее появлялись несъедобные для скота растения. Положение изменилось только после того, как из Европы и Северной Америки было завезено шесть видов навозных жуков. Так, жуки-навозники спасли животноводство в Австралии.

Другим примером могут служить термиты— главные разрушители растительных остатков и перегноя почвы в тропических ландшафтах. Свою функцию редуцентов, возвращающих почве плодородие, термиты выполняют благодаря простейшим жгутиковым животным (полимастигина), поселяющимся в их кишечнике и расщепляющим клетчатку до углеводов, минеральных солей и углекислого газа. Термиты не могут существовать без жгутиковых, которые составляют до ¹/₃ массы насекомого, а жгутиковые могут жить лишь в кишечнике термитов. Термиты совершенно необходимы для возобновления травянистой и особенно древесной растительности.

Тропические леса и саванны Африки практически не восстанавливаются при длительном использовании земли под посевы или после выжигания, особенно если оно было многократным. Одна из главных причин этого — гибель термитов. Только при восстановлении численности этих насекомых можно вновь обеспечить плодородие почв и возобновление тропических лесов и саванн.

Велико значение лесных муравьев, истребляющих вредителей леса; различных жуков-жужелиц, поедающих многих гусениц; божьих коровок, истребляющих тлю; наездников, мух-тахин; ос-сколия и многих других насекомых, без которых погибли бы леса и сельскохозяйственные культуры. Даже комары и мошки совершенно необходимы, обеспечивая, в частности, обмен микроэлементами в биогеоценозах.

Большое и разнообразное значение имеют в биогеоценозах и другие беспозвоночные. Дождевые черви способствуют аэрации почвы, распределению в ней перегноя, созданию ее структурности. Почвенные клещи, ногохвостки, круглые черви—нематоды, мокрицы, многоножки и многие другие повышают плодородие почв. Моллюски служат источником корма для других животных, они фильтруют воду, очищают ее.

Среди позвоночных очевидно значение рыб в водоемах как самых массовых и подвижных позвоночных. С каждым годом становится все отчетливее большая роль земноводных и пресмыкающихся в биогеоценозах лесов, лугов, пустынь, гор и саванн.

Птицы истребляют насекомых, переносят семена растений. Велика роль птиц в биологическом круговороте веществ. Например, морские птицы переносят на сушу огромные количества фосфора. На островах, где они гнездятся, накапливаются залежи их помета.

Многообразна роль млекопитающих как землероев, потребителей растений, беспозвоночных и позвоночных. Животные активно формируют целые ландшафты. В Северной Америке можно наблюдать так называемый «бобровый ландшафт», возникший в результате постройки бобрами бесчисленных плотин, изменивших водный режим местности. Термиты создают в экваториальной Америке особый бугристый рельеф, сурки в горных степях неузнаваемо преображают их облик. Возобновлению кедровых лесов в Сибири помогают птицы кедровки, дубрав в Европе — сойки и кабаны. В значительной мере степи, с их исключительно плодородными почвами, созданы высшими позвоночными животными и насекомыми, которые превращают огромное количество сырой растительной массы в легко усвояемые растениями вещества.

Для биосферы нашей планеты все биологические виды, возникшие в процессе эволюции, нужны и полезны. Каждый вид имеет свой набор кормов, в то же* время служит добычей животных других видов, или, как говорят экологи, занимает только ему присущую экологическую нишу. Своим существованием каждый вид создает предпосылки для появления новых экологических ниш. Этот процесс и гарантирует бесконечность эволюции в пространстве и времени.

Эволюция биосферы проходила путем усложнения ее структуры в результате развития различных групп растений и животных. При этом в процессе эволюции соотношение различных групп организмов отражало их взаимозависимость. Например, расцвет покрытосемянных растений определил взрыв видообразования насекомых. Крупнейшим событием, в истории биосферы было появление наземных позвоночных и особенно возникновение теплокровных животных, благодаря которым энергетические процессы в биогеоценозах стали проходить быстрее. Словом, каждый шаг в эволюции животных определял и развитие биосферы.

Менялось и количество живого вещества биосферы, общая биомасса. Эти изменения определялись не скоростью размножения организмов, которая потенциально всегда огромна, а увеличением видового разнообразия. Ведь чем разнообразнее видовой состав, тем больше возможностей осваивать новые, пригодные для жизни пространства.

Освоение животными земных пространств становилось все более полным: в процессе эволюции шло не только образование все новых и новых видов, но и формирование новых биогеоценозов.

Биогеоценозы крайне разнообразны по своему составу. Они формировались в зависимости от климата и истории того или иного участка Земли. В результате они оказались в различной степени насыщены жизнью, и, следовательно, величина продукции их органического вещества различна. Так, богатые биогеоценозы тропических лесов во много раз продуктивнее бедных арктических тундр, а глубинные биогеоценозы океана несравненно беднее биогеоценозов прибрежных мелководий морей.

Очень важное экологическое правило состоит в том, что чем разнороднее и сложнее биогеоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним воздействиям.

В биогеоценозах устанавливаются разнообразные связи между организмами: пищевые, конкурентные, симбиотические и многие другие; подчас они очень сложные, многоступенчатые. Эти связи придают биогеоценозу целостность, устойчивость и относительную независимость в развитии.

Устойчивость биосферы в целом и определяется тем, что она слагается из сложной системы относительно независимых биогеоценозов. Связь между биогеоценозами ограничивается главным образом обменом атмосферой, водой, реже минеральными солями, перелетными птицами, кочующими зверями, иногда различными стадиями жизни растений и животных. Например, головастики, жабы живут в биогеоценозах пруда, а взрослые особи — в биогеоценозах суши.

Важная экологическая закономерность, определяющая устойчивость природных биогеоценозов, состоит также в том, что виды организмов, их слагающих, в процессе эволюции приспособились друг к другу настолько, что они как бы заботятся о целостности, устойчивости, оптимальной структуре своего биогеоценоза. Так, в тундре, степях, саваннах и других ландшафтах трава растет лучше не тогда, когда она полностью отгорожена от потребителей (копытных, грызунов и др.), а тогда, когда потребление ее соответствует норме, определяемой структурой этого биогеоценоза. Хорошо известно также, что гигантские скопления копытных в саваннах Африки, бизонов — в прериях Америки или сайгаков — в полупустынях Казахстана никогда не бывают причиной гибели травяного покрова. В естественных, ненарушенных биогеоценозах лесов никогда не бывает таких вспышек численности насекомых-вредителей, при которых лес погибал бы полностью.

Популяция — форма существования вида. Устойчивость биогеоценозов определяется также закономерностями их структуры и в первую очередь тем, что составляющие биогеоценоз организмы не простая совокупность особей различных видов, а совокупность их популяций. Популяция — качественно определенная группировка особей вида, способная поддерживать свою численность в определенных размерах при изменяющихся условиях среды. Популяция — форма существования вида и следующий уровень жизни биосферы, лежащий между уровнем особи и биогеоценоза. Популяция — биологическая система и действует как единое целое, способное к саморегулированию в соответствии с изменениями, происходящими в окружающей среде. Эти приспособительные возможности популяции определяются ее структурой и тонкими взаимоотношениями особей.

При резком повышении смертности в популяции происходят изменения физиологии всех ее членов, направленные к единой цели: повысить жизнеспособность оставшихся особей, их устойчивость к неблагоприятным факторам для того, чтобы быстро восстановить численность популяции при благоприятных условиях. В таких популяциях перестраивается структура вида: возрастает относительное число самок, которые рождают также преимущественно самок, и т. д. Напротив, при возникшем перенаселении резко падает плодовитость, возрастает смертность, раньше наступает старение особей. В результате таких изменений в популяции и создается плотность населения вида, соответствующая данным условиям среды.

В экспериментах, поставленных в последние годы, было показано, что физиологические особенности исследованных животных точно соответствовали плотностям их популяций. Природа сигналов к перестройке структуры и организации популяций разнообразна, но лучше всего изучены химические сигналы. Так, если из клетки, где было искусственно создано перенаселение зверьков, подавали воздух в клетку с нормальной плотностью содержания животных, то физиология животных в последней изменялась соответственно зверькам перенаселенной клетки. Химическая сигнализация действовала точно и безотказно.

На личинках насекомых, моллюсках, рыбах и личинках амфибий установлено, что продукты обмена веществ животных — метаболиты — и есть те агенты, которые регулируют скорость развития, важнейшие реакции и многие другие физиологические процессы организмов. Выдающийся советский эколог академик С. С. Шварц и его сотрудники показали высокую специфичность метаболитов головастиков лягушек не только разных видов и популяций, но и различных стадий их развития. Так, метаболиты старших головастиков сдерживают развитие младших, но стимулируют развитие головастиков более поздних стадий. Во всех случаях животные разных стадий развития реагируют на сигналы в соответствии с нуждами популяции как целого.

Очевидно, у высших животных, особенно у хищных млекопитающих с их сложной иерархической структурой популяции, где существует определенное соподчинение особей, так называемые доминанты первого, второго и т. д. порядка как среди самок, так и среди самцов, большое значение имеют этологические сигналы, т. е. особенности поведения животных. Доминантные особи, обычно первыми воспринимающие разнообразную информацию, передают ее подчиненным особям путем определенного поведенческого сигнала.

Помимо популяционной структуры для устойчивости биогеоценоза очень важно соотношение популяций различных видов животных. В большинстве изученных биогеоценозов существует ядро системы, слагаемое из популяций немногих, но численно господствующих видов.

Например, в степи, где растет 125—130 видов растений, абсолютно преобладают и определяют «лицо» степи 3—4 вида, создающих основную продукцию растительной массы степи. То же мы видим и среди животного населения: из более чем 15 видов млекопитающих степи многочисленны бывают лишь 2—3 вида грызунов. Эти господствующие виды определяют и тип биогеоценоза, и его значение в биосфере. Однако другие, сопутствующие виды также исключительно важны для биогеоценозов. Особенно возрастает их роль, когда численность основных видов падает. В этих случаях сопутствующие виды выполняют важнейшие функции биогеоценоза, определяя его стабильность и устойчивость. Чем больше сопутствующих видов, т. е. чем сложнее биогеоценоз, тем он устойчивее.

Экологи недавно подсчитали, что для любого биогеоценоза потеря примерно У5 части видов означает катастрофу, так как смещается экологическое равновесие. А в упрощенных биогеоценозах исчезновение только одного господствующего вида нередко приводит к разрушению устойчивости всей системы, потере ее важнейшего качества — способности к саморегуляции.

Чем выше трофический уровень вида, тем большие последствия для биогеоценоза может иметь его исчезновение. Это происходит потому, что количество особей и общую биомассу видов условно можно изобразить в виде «экологической пирамиды», венчает которую хищник высшего порядка (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема экологической пирамиды в биогеоценозе, поясняющая трофические уровни

Конечно, в реальной жизни биогеоценоза не бывает таких крайне упрощенных связей, как изображено на рисунке. Орел-змееяд кормится не только змеями, но и лягушками и даже саранчовыми; змеи также могут есть не только лягушек, но и насекомых. Кроме того, на этой упрощенной схеме нет, например, мелких грызунов, насекомоядных и зерноядных птиц и других обычных членов биогеоценозов. Однако в общем виде эта схема остается верной. Например, львов в африканских саваннах всегда в сотни раз меньше, чем диких копытных. Экологи подсчитали, что на одного волка в северных лесах приходится около 100 лосей, а на каждого крупного хищника (льва, леопарда, гепарда и др.) в саваннах Африки от 350 до 1000 антилоп, зебр и других диких копытных. Именно при таком соотношении в биогеоценозах лесов или саванн и устанавливается динамическое равновесие. Понятно, что изъятие в этих условиях нескольких сотен многочисленных диких копытных относительно мало сказывается на биогеоценозе, но уничтожение такого же числа хищников приводит к катастрофе.

Рис. 2. Схема взаимоотношений животных в биогеоценозе пустыни

Так, в некоторых областях нашей страны, где истребили волков, чрезвычайно быстро размножившиеся лоси стали губить лес, а в тех районах Южной Африки, где истребили крупных хищников, чрезмерно размножившиеся антилопы импалы уничтожили пастбища. Дикие кистеухие свиньи и павианы, избавившись от своего врага — леопарда, стали наносить огромный урон посевам и садам. Истребление степных орлов, сарычей и других хищных птиц и сов в наших степях и полях часто приводило к резкой вспышке численности сусликов, хомяков, полевок и других вредителей сельского хозяйства.

Нужно сказать, что реальные связи в биогеоценозах очень сложны. Примером тому могут служить рисунки 2 и 3, где изображены схемы взаимоотношений животных в биогеоценозе пустыни и биогеоценозе тропического леса Южной Америки.

Рис. 3. Схема взаимоотношений животных в биогеоценозе пустыни и биогеоценозе тропического леса Южной Америки

Иногда взаимосвязи бывают неожиданными и на первый взгляд непонятными. Например, истребление бегемотов в некоторых озерах и реках Африки привело к почти полному исчезновению многочисленных рыб тиляпий. Казалось бы, какое отношение имеют травоядные бегемоты к рыбам? Изучение этого странного явления показало интересную и сложную, но реальную экологическую связь между рыбами и бегемотами. Бегемоты кормятся травой, главным образом на берегу, но помет оставляют в воде. Этот помет — основной корм беспозвоночных, обитающих в воде, за счет которых и существуют рыбы тиляпий. Исчезновение бегемотов, через два звена трофической цепи, лишило рыб корма.