Как работает жизнь? Как природа знает, сколько зебр и львов должно жить в саванне или сколько рыб должно плавать в океане? Откуда наш организм знает, сколько эритроцитов должно быть в крови? Шон Кэрролл — американский биолог, ведущий специалист в области эво-дево — рассказывает нам невероятно интересную историю открытий. Сокровенные тайны природы — законы, которые управляют количеством клеток в наших телах, животных и растений в дикой природе. Самое удивительное в этих правилах то, что они похожи и подчиняются одной логике — логике жизни. Кэрролл рассказывает о том, как знания законов функционирования человеческого тела стимулировали появление лекарств и подводит нас к мысли, что настало время использовать законы «джунглей», чтобы исцелить нашу больную планету.Смелый и вдохновляющий труд одного из самых знаменитых биологов и одаренных популяризаторов науки рассказывает про законы жизни во всех формах, проявлениях и масштабах. Прочитайте эту книгу, и ваш взгляд на мир изменится.
РАЗМЕР ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ: КОГО МОЖНО СЛОПАТЬ, А КТО СЛИШКОМ БОЛЬШОЙ ДЛЯ ЭТОГО?
Съесть или быть съеденным — такова, в сущности, жизнь животных. При отсутствии эпидемических факторов, наподобие чумы крупного рогатого скота, именно эта истина очерчивает два основных механизма регуляции популяций животных в природе. Во-первых, это возможность поесть — речь о доступности пищи (восходящая ориентация в трофическом каскаде). Во-вторых, возможность, что тебя съест хищник (нисходящая ориентация), либо комбинация двух этих механизмов. Для любого вида существует простой вопрос: какое из двух этих направлений важнее?
В случае с большинством биологических видов в природе сформулировать этот вопрос гораздо проще, чем ответить на него. Требуются долгосрочные наблюдения, а еще лучше — эксперименты. Синклер и его коллеги Саймон Мдума и Джастин Брейшерз исследовали 40-летний массив данных о причинах смертности среди млекопитающих в Серенгети. Они обнаружили сильнейшую корреляцию между размером тела и уязвимостью для хищников.
Существует четкое пороговое значение — масса тела около 150 кг. Численность мелких животных, которые в среднем весят меньше, зависит от активности хищников, а численность более крупных животных определяется другими факторами. Например, большинство мелких антилоп, таких как ориби (18 кг), импала (50 кг) и топи (120 кг), в основном гибнут от нападений хищников (рис. 7.5, вверху слева). В принципе, чем мельче животное, тем больше хищников на него охотится. Например, из 10 видов хищников, обитающих в Серенгети (среди которых — дикая кошка, шакал, гепард, леопард, гиена и лев), на ориби охотятся не менее шести, а еще орлы и питоны (см. рис. 7.5).
Но более крупные млекопитающие, например буйвол, подвергаются значительно меньшему прессингу хищников (на них охотятся только львы), а на взрослых жирафов, гиппопотамов и слонов практически никто не охотится (см. рис. 7.5, внизу справа). Травоядные из этой категории, представители так называемой мегафауны, по-видимому, избавились от регуляции со стороны хищников, развив крупное тело (и органы защиты), из-за чего добывать их стало слишком сложно или опасно даже для льва. Поскольку слоны и другие животные, чьи размеры превышают вышеупомянутое пороговое значение, не подчиняются нисходящей регуляции со стороны хищников, из этого следует, что их численность должна регулироваться снизу вверх, то есть она зависит от наличия пищи.
Корреляция с размерами тела довольно интересна, но была ли возможность проверить ее «по-пэйновски» — «подтолкнуть» Серенгети и посмотреть, что получится? Да, была. К сожалению, таким «толчком» послужило все более активное браконьерство, а также истребление животных при помощи яда. Из-за этого в северном Серенгети в период с 1980 по 1987 г. было уничтожено большинство львов, гиен и шакалов. Синклер и его коллеги сравнили численность популяций травоядных до и после сокращения численности хищников, а также с показателями, зафиксированными позднее, когда численность хищников восстановилась. Все пять видов мелких травоядных, за которыми они наблюдали (ориби, газель Томпсона, бородавочник, топи и импала), стали многочисленнее с исчезновением хищников, а вот популяция жирафов не увеличилась. После возвращения хищников популяции всех пяти вышеупомянутых мелких животных вновь уменьшились. Таким образом, именно эти животные, но не жирафы подвергаются отрицательной нисходящей регуляции со стороны хищников.
Эти наблюдения за травоядными и хищниками в Серенгети позволяют количественно и экспериментально оценить те выводы, которые логически сделал Элтон почти на восемьдесят лет ранее (а ведь он не имел роскоши изучать такую экосистему, как Серенгети): «размер добычи хищников ограничен в восходящем направлении силой хищника и его охотничьим потенциалом, а в нисходящем — возможностью наловить мелкую добычу в достаточном количестве, чтобы ею можно было прокормиться». Так формулируется особый закон: насколько размер тела животного может определять уязвимость этого животного для хищников.
ЗАКОН ДЖУНГЛЕЙ 4
РЕЖИМ РЕГУЛЯЦИИ ЗАВИСИТ ОТ РАЗМЕРОВ ТЕЛА
Размер тела животного — важный определяющий фактор, от которого зависит механизм регуляции численности популяции в пищевых цепях. Популяции мелких животных регулируются со стороны хищников (сверху вниз), а численность популяций более крупных животных зависит от наличия пищи (снизу вверх).
Итак, если быть слишком большим столь выгодно — никто тебя не завалит, — то можно подумать, что в экосистеме с таким множеством хищников все виды должны были бы эволюционировать в этом направлении. Но такого не произошло. К тому же Серенгети отнюдь не покрыт стадами буйволов или слонов. Их численность также регулируется, но как происходит та регуляция, которая воздействует на таких крупных животных? Оказывается, что, хотя мы сейчас и пытаемся объяснить экологическую регуляцию в макромасштабе, лежащий в ее основе механизм уже известен нам из молекулярной биологии.
РЕГУЛЯЦИЯ ПО ПРИНЦИПУ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ В МИРЕ ЖИВОТНЫХ
Исследования Синклера показали, что вслед за грандиозным демографическим взрывом, наступившим после искоренения чумы КРС, популяция буйволов стабилизировалась в 1970-е. История слонов в Серенгети — это также история восстановления, но уже после другой напасти. В XIX в. слоновая кость была таким ходовым товаром, что в первой половине XX в. слоны стали редким видом. В 1958 г. Гржимеки насчитали в южной части парка всего 60 слонов, но в период с начала 1960-х до середины 1970-х популяция увеличилась до нескольких тысяч животных и долгие годы оставалась относительно стабильной.
Когда Синклер построил график увеличения численности каждого вида в зависимости от размера популяции, у него получилось несколько похожих линий (рис. 7.6). Графики показали, что скорость увеличения численности каждого вида была выше, когда общая численность вида была ниже. С ростом популяции эта скорость снижалась, а затем становилась отрицательной (популяция сокращалась). Иными словами, скорость изменений в популяции зависит от ее плотности.
Этот феномен получил название «плотностно-зависимая регуляция». Он был предвосхищен уже в работах социал-экономиста Томаса Мальтуса, писавшего, что численность популяции неограниченно увеличивается до тех пор, пока что-нибудь этому не воспрепятствует. Однако допустим, у нас есть группа крупных животных в ограниченном пространстве, скажем, стадо коз на пастбище. Если изначальная численность популяции невелика, то скорость ее роста зависит только от репродуктивной способности животных. Но по мере увели чения численности животных начинается дефицит свободного места или пищи. Если популяция вырастет настолько, что экосистема не сможет удовлетворить ее потребности, то популяция сократится: она стабилизируется на максимальном количестве животных, которые могут прокормиться конечным количеством ресурсов.
Плотностно-зависимая регуляция — это вариант отрицательной регуляции по принципу обратной связи. Точно как накопление продуктов реакций с участием ферментов может по принципу обратной регуляции ингибировать синтез самих этих ферментов, так и увеличение популяций животных может замедлять демографический рост и даже приводить к сокращению популяции. Синклер исследовал, как такая отрицательная обратная регуляция работает в случае буйволов, изучая их плодовитость и смертность. Он выяснил, что с увеличением популяции все больше взрослых особей погибало от недоедания, причем не только в абсолютном количестве, но и пропорционально.
Синклер, Саймон Мдума и их коллега Рэй Хилборн обнаружили, что аналогичная плотностно-зависимая регуляция сдерживает численность мигрирующих гну. Когда их популяция приблизилась к миллиону особей, тенденция к увеличению замедлилась, а затем сменилась на обратную (рис. 7.6, внизу). Чтобы выяснить, какие факторы запустили такую плотностно-зависимую регуляцию, они изучили 40-летний массив данных о численности гну, а также причины гибели животных. Ученые обнаружили, что при всей важности воздействия хищников (25–30% смертельных случаев) большинство гну стали погибать, когда популяция увеличилась, от недоедания. Внимательно изучив данные о дождях и фитомассе в Серенгети, Синклер с коллегами выяснили, что такое недоедание коррелирует с сокращением доступной пищи (на каждую голову) в засушливый сезон.
Рис. 7.6
Плотностно-зависимая регуляция в популяциях животных. По мере того как в Серенгети увеличивались популяции буйволов, слонов и гну, скорость их увеличения замедлялась, а затем численность начинала уменьшаться. Иллюстрация на основе данных, полученных Sinclair et al., 2010; Sinclair, 2003; Sinclair and Krebs, 2002, выполнена Лиэнн Олдз
Хотя Серенгети — бескрайняя и изобильная страна, засушливый сезон является критическим периодом, в который сокращается количество зелени, и животные становятся более уязвимы. Такая уязвимость проявилась еще четче, когда в 1993 г. стал разворачиваться естественный эксперимент: Серенгети накрыла сильнейшая за 35 лет засуха. Во время затянувшегося сухого сезона количество доступной пищи составило малую толику по сравнению с обычным годом. Синклер, Мдума и Хилборн были свидетелями массового голода, когда в ноябре ежедневно погибали до 3000 гну, и размер популяции упал ниже миллиона особей.
Это трагический эпизод, но он помогает понять важную «обратную сторону» плотностно-зависимой регуляции. Когда популяция уменьшилась, в последующие сезоны на каждую голову гну было доступно уже больше пищи, и численность животных стабилизировалась. «Благотворность» плотностно-зависимой регуляции заключалась в том, что она амортизировала изменения в обоих направлениях: замедлила демографический взрыв, а когда популяция стала сокращаться — замедлила падеж гну. Такую регуляцию сравнивают с термостатом, запускающим механизм охлаждения, когда температура превышает определенный уровень, либо подогрев, если температура падает ниже другого заданного уровня.
Пища — не единственный возможный фактор плотностно-зависимой регуляции. Хищники также могут сдерживать рост популяции, но, когда популяция сокращается и добычи становится меньше, хищники могут переключиться на другую, более изобильную дичь, в результате чего восстанавливается численность их основной дичи (и этот вид не вымирает). Территориальная конкуренция между хищниками — например, за удобные логова или охотничьи угодья — также может давать эффект плотностно-зависимой регуляции. Обратная регуляция, в основе которой лежат плотностные факторы, — это распространенный механизм влияния на численность животных.
ЗАКОН ДЖУНГЛЕЙ 5
ПЛОТНОСТЬ: ЧИСЛЕННОСТЬ НЕКОТОРЫХ ЖИВОТНЫХ ЗАВИСИТ ОТ ПЛОТНОСТИ ИХ ПОПУЛЯЦИЙ
Численность популяций некоторых животных определяется плотностно-зависимыми факторами, которые обычно стабилизируют размер популяции.
Мы рассмотрели два основных механизма регуляции численности животных: влияние хищников и доступность пищи. Кроме того, мы узнали, каким образом многие животные избегают участи дичи — просто становятся крупнее. Есть ли какой-нибудь способ обойти дефицит пищевых ресурсов (как минимум частично)?
На самом деле, есть способ одновременно решить обе проблемы — ускользнуть от хищников и прокормиться, — причем именно он объясняет великое действо, разворачивающееся в Серенгети.
МИГРАЦИЯ: КАК СЪЕСТЬ ПОБОЛЬШЕ, НО НЕ БЫТЬ СЪЕДЕННЫМ
Вернемся к цифрам, которые вы уже хорошо знаете: 60 000 буйволов, более миллиона гну. 450-килограммовый буйвол гораздо менее уязвим для хищников, чем 170-килограммовый гну, но в Серенгети куда больше гну, чем буйволов. Чем, кроме габаритов тела, отличаются два этих вида? Первые пасутся на одном месте, а вторые — нет.
Может ли миграция объяснять такую огромную разницу в численности между наиболее распространенными видами оседлых и кочевых животных в Серенгети? Поскольку два основных механизма, регулирующих численность популяций, — это доступность пищи и пресс хищников, важно узнать, как миграция отражается на каждом из двух этих механизмов. Именно это и сделали Синклер с коллегами.
Миграция дает очевидную гастрономическую выгоду. Гну бегут вслед за дождями, ежегодно совершая почти тысячекилометровое путешествие вокруг Серенгети; в сезон дождей они откочевывают на равнины, покрытые зелеными, исключительно питательными невысокими травами. Этот ресурс быстро исчезает, но на нем могут окрепнуть телята гну, а оседлые виды такую траву не едят. Затем, когда на равнинах наступает засуха, гну перебираются в высокотравную саванну и редколесья, где выпадает больше осадков, чем на открытых равнинах.
Фактор хищников в этом уравнении заслуживает более тщательного исследования. Гну — добыча львов и гиен. Но, когда я выше рассуждал о размерах тела разной дичи, я специально опустил статистику по гну. Дело в том, что этот показатель зависит от численности популяции гну. В Серенгети два вида гну: одни сбиваются в огромные кочевые стада, а другие образуют небольшие оседлые популяции, которые весь год проводят в конкретном уголке этой экосистемы (вблизи от непересыхающих источников воды). Смертность в таких оседлых популяциях в 87% связана с нападением хищников, тогда как в кочевых стадах на хищничество приходится лишь около четверти всех смертельных исходов. Более того, каждый год в кочевых стадах погибает около 1% особей, тогда как в оседлых — до 10%. Следовательно, пресс хищников на каждую отдельную кочевую особь гораздо ниже. Изучая повадки львов и гиен, удалось выяснить, почему они не могут рассчитывать на все это бегущее мясо: хищники не в состоянии следовать за стадами, поскольку привязаны к тем территориям, где подрастает их молодняк, а детеныши нуждаются в защите.
Благодаря суммарному эффекту избегания хищников и более полноценного питания плотность популяций кочевых гну оказывается гораздо выше (примерно 64 особи на 1 кв. км), чем плотность оседлых популяций (около 15 животных на 1 кв. км). Многочисленность двух других кочевых видов в Серенгети — речь идет о зебрах (200 000 особей) и газелях Томпсона (400 000 особей) — при сравнении с другими оседлыми видами также подтверждает, что миграция связана с большими преимуществами. В других регионах Африки такие кочевые виды, как тьянг (антилопа, подвид топи) и суданский белоухий болотный козел, также как минимум вдесятеро превосходят по численности самые распространенные оседлые виды.
Таким образом, миграция — это еще один экологический закон, вернее, нарушение закона, способ выйти за рамки, накладываемые плотностно-зависимой регуляцией.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок
Для читателей данного блога скидка 25% по купону — Закон джунглей По факту оплаты бумажной книги отправляем на e-mail электронную версию книги.
Автор: Издательский дом «Питер»
