Принцип оптимального разнообразия биосистем
Покупка
Новинка
Тематика:
Прикладная биология
Издательство:
КМК
Год издания: 2013
Кол-во страниц: 522
Дополнительно
Вид издания:
Научно-популярная литература
Уровень образования:
Дополнительное профессиональное образование
ISBN: 978-5-87317-911-4
Артикул: 841398.01.99
Доступ онлайн
194 ₽
В корзину
В книге изложен оригинальный принцип оптимального разнообразия биосистем, предполагающий, что разнообразие является оптимизируемым параметром. При оптимальном разнообразии биосистемы имеют максимальные показатели эффективности функционирования и максимальную вероятность выживания. Основное внимание уделено разнообразию на двух иерархических уровнях - популяционном (фенотипическое разнообразие внутри популяции) и ценотическом (число видов сообществе). Представлены оригинальные математические модели, которые подтверждают возможность возникновения оптимальных значений разнообразия в ходе взаимодействия биосистем популяционного и ценотического уровней. На основе моделирования показано, что оптимальные значения разнообразия биосистем зависят от количества ресурса в среде, степени ее стабильности и эволюционного уровня организмов. На основе анализа данных мировой литературы о взаимозависимости показателей разнообразия и функционирования биосистем, а также о закономерностях распределения биоразнообразия в разных условиях среды показано, что положения принципа оптимального разнообразия не противоречат основному массиву эмпирических данных, а в ряде случаев подтверждаются ими. Это дает возможность принять принцип оптимального разнообразия в качестве рабочей гипотезы. На основании этого предложены возможные механизмы оптимизации разнообразия в ходе экологических, микроэволюционных и эволюционных процессов. Заключительный раздел книги посвящен значению принципа оптимального разнообразия для разработки стратегии устойчивого природопользования и сохранения биологического разнообразия.
Книга представляет интерес для специалистов в области теории биоразнообразия и практики его использования и сохранения
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 05.03.06: Экология и природопользование
- 06.03.01: Биология
- ВО - Магистратура
- 05.04.06: Экология и природопользование
- 06.04.01: Биология
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß ÍÀÓÊ Èíñòèòóò ïðîáëåì ýêîëîãèè è ýâîëþöèè èì. À.Í. Ñåâåðöîâà Ïðîãðàììà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ÎÁÍ ÐÀÍ “Æèâàÿ ïðèðîäà: ñîâðåìåííîå ñîñòîÿíèå è ïðîáëåìû ðàçâèòèÿ” Áóêâàðåâà Å.Í. Àëåùåíêî Ã.Ì. ÏÐÈÍÖÈÏ ÎÏÒÈÌÀËÜÍÎÃÎ ÐÀÇÍÎÎÁÐÀÇÈß ÁÈÎÑÈÑÒÅÌ Ìîñêâà 2013
Áóêâàðåâà Å.Í., Àëåùåíêî Ã.Ì. Ïðèíöèï îïòèìàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ áèîñèñòåì. Òîâàðèùåñòâî íàó÷íûõ èçäàíèé ÊÌÊ. 2013. 522 ñ. Íàó÷íûé ðåäàêòîð: À.Ñ. Ñåâåðöîâ Ðåöåíçåíòû: À.Â. Ìàðêîâ, ä.á.í., ÏÈÍ èì. À.À. Áîðèñÿêà ÐÀÍ; Í.Í. Ìàðôåíèí, ä.á.í., ïðîô., Áèîëîãè÷åñêèé ôàêóëüòåò ÌÃÓ èì. Ëîìîíîñîâà.  êíèãå èçëîæåí îðèãèíàëüíûé ïðèíöèï îïòèìàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ áèîñèñòåì, ïðåäïîëàãàþùèé, ÷òî ðàçíîîáðàçèå ÿâëÿåòñÿ îïòèìèçèðóåìûì ïàðàìåòðîì. Ïðè îïòèìàëüíîì ðàçíîîáðàçèè áèîñèñòåìû èìåþò ìàêñèìàëüíûå ïîêàçàòåëè ýôôåêòèâíîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ è ìàêñèìàëüíóþ âåðîÿòíîñòü âûæèâàíèÿ. Îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëåíî ðàçíîîáðàçèþ íà äâóõ èåðàðõè÷åñêèõ óðîâíÿõ – ïîïóëÿöèîííîì (ôåíîòèïè÷åñêîå ðàçíîîáðàçèå âíóòðè ïîïóëÿöèè) è öåíîòè÷åñêîì (÷èñëî âèäîâ ñîîáùåñòâå). Ïðåäñòàâëåíû îðèãèíàëüíûå ìàòåìàòè÷åñêèå ìîäåëè, êîòîðûå ïîäòâåðæäàþò âîçìîæíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ îïòèìàëüíûõ çíà÷åíèé ðàçíîîáðàçèÿ â õîäå âçàèìîäåéñòâèÿ áèîñèñòåì ïîïóëÿöèîííîãî è öåíîòè÷åñêîãî óðîâíåé. Íà îñíîâå ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàíî, ÷òî îïòèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ðàçíîîáðàçèÿ áèîñèñòåì çàâèñÿò îò êîëè÷åñòâà ðåñóðñà â ñðåäå, ñòåïåíè åå ñòàáèëüíîñòè è ýâîëþöèîííîãî óðîâíÿ îðãàíèçìîâ. Íà îñíîâå àíàëèçà äàííûõ ìèðîâîé ëèòåðàòóðû î âçàèìîçàâèñèìîñòè ïîêàçàòåëåé ðàçíîîáðàçèÿ è ôóíêöèîíèðîâàíèÿ áèîñèñòåì, à òàêæå î çàêîíîìåðíîñòÿõ ðàñïðåäåëåíèÿ áèîðàçíîîáðàçèÿ â ðàçíûõ óñëîâèÿõ ñðåäû ïîêàçàíî, ÷òî ïîëîæåíèÿ ïðèíöèïà îïòèìàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ íå ïðîòèâîðå÷àò îñíîâíîìó ìàññèâó ýìïèðè÷åñêèõ äàííûõ, à â ðÿäå ñëó÷àåâ ïîäòâåðæäàþòñÿ èìè. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü ïðèíÿòü ïðèíöèï îïòèìàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ â êà÷åñòâå ðàáî÷åé ãèïîòåçû. Íà îñíîâàíèè ýòîãî ïðåäëîæåíû âîçìîæíûå ìåõàíèçìû îïòèìèçàöèè ðàçíîîáðàçèÿ â õîäå ýêîëîãè÷åñêèõ, ìèêðîýâîëþöèîííûõ è ýâîëþöèîííûõ ïðîöåññîâ. Çàêëþ÷èòåëüíûé ðàçäåë êíèãè ïîñâÿùåí çíà÷åíèþ ïðèíöèïà îïòèìàëüíîãî ðàçíîîáðàçèÿ äëÿ ðàçðàáîòêè ñòðàòåãèè óñòîé÷èâîãî ïðèðîäîïîëüçîâàíèÿ è ñîõðàíåíèÿ áèîëîãè÷åñêîãî ðàçíîîáðàçèÿ. Êíèãà ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ äëÿ ñïåöèàëèñòîâ â îáëàñòè òåîðèè áèîðàçíîîáðàçèÿ è ïðàêòèêè åãî èñïîëüçîâàíèÿ è ñîõðàíåíèÿ Ìîíîãðàôèÿ óòâåðæäåíà â ïå÷àòü íà çàñåäàíèè Ó÷åíîãî ñîâåòà ÈÏÝÝ èì. Ñåâåðöîâà ÐÀÍ ISBN 978-5-87317-911-4 © Å.Í. Áóêâàðåâà, Ã.Ì. Àëåùåíêî, 2013. © ÈÏÝÝ ÐÀÍ, 2013. © ÎÎÎ “ÊÌÊ”, èçäàíèå, 2013.
ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... 9 2. ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОГО РАЗНООБРАЗИЯ БИОСИСТЕМ ..................................................................................... 15 2.1. Общая формулировка принципа оптимального разнообразия биосистем ............................................................... 17 2.2. Модели оптимального разнообразия биосистем .................... 25 2.2.1. Два типа систем и два комплекса свойств в биологической иерархии ....................................................................................... 27 2.2.1.1. Два типа систем в биологической иерархии ................................... 27 2.2.1.2. Разнообразие в статистических и структурных системах .......... 30 2.2.2. Модель структурной системы (экологическое сообщество одного трофического уровня) ..................................................... 33 2.2.3. Модель статистической системы (популяция) .......................... 37 2.2.4. Двухуровневая иерархическая модель (популяции – сообщество) .................................................................................. 45 2.2.4.1. Модель сообщества без расхождения популяций по нишам .......... 45 2.2.4.2. Модель сообщества с возможностью расхождения популяций по разным нишам ................................................................................... 49 2.3. Результаты моделирования .......................................................... 53 3. СООТВЕТСТВИЕ ПРИНЦИПА ОПТИМАЛЬНОГО РАЗНООБРАЗИЯ ДРУГИМ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯМ И ЭМПИРИЧЕСКИМ ДАННЫМ ........ 67 3.1. Интерпретация моделей: ограничения и основные вопросы для верификации моделей на качественном уровне .............. 69 3.2. Факторы среды, влияющие на формирование биоразнообразия ............................................................................ 75 3.2.1. Основные факторы среды и градиенты биоразнообразия ........ 77 3.2.2. Ресурсы и энергия ........................................................................ 85 3.2.2.1. Гипотезы о связи числа видов с количеством доступных для организмов ресурсов .......................................................................... 85 3.2.2.2. Мета-анализы эмпирических данных о корреляции между продуктивностью и числом видов в природных сообществах ........ 89 3
3.2.2.3. Глобальный и континентальный масштаб: подтверждение гипотезы «виды-энергия» ................................................................. 93 3.2.2.4. Локальный и региональный масштаб: унимодальная форма корреляции между числом видов и продуктивностью .................... 97 3.2.3. Стабильность среды .................................................................. 142 3.2.3.1. Стабильность среды и число видов ............................................... 144 3.2.3.2. Стабильность среды и ширина экологической ниши ................... 147 3.2.3.3. Стабильность среды и сопряженные изменения числа видов и ширины их ниш ................................................................................ 150 3.2.4. Выводы: данные о влиянии факторов среды на биоразнообразие и принцип оптимального разнообразия ..... 158 3.3. Соотношение показателей разнообразия биосистем ............ 161 3.3.1. Сопряженные изменения числа видов и ширины экологических ниш .............................................................................................. 163 3.3.2. Соотношение показателей генетического и видового разнообразия ............................................................................... 171 3.3.3. Закономерности распределения биологического разнообразия, связанные с эволюционным уровнем таксонов ....................... 176 3.3.4. Выводы: соотношение показателей разнообразия природных биосистем и принцип оптимального разнообразия ................ 179 3.4. Биоразнообразие как фактор экосистемного функционирования ..................................................................... 181 3.4.1. Второе рождение «новой» парадигмы ...................................... 183 3.4.1.1. Биоразнообразие и условия среды: что от чего зависит? ........... 183 3.4.1.2. Развитие исследований по теме «биоразнообразие – экосистемное функционирование» ......................................................................... 185 3.4.1.3. Что такое экосистемное функционирование? ............................. 187 3.4.1.4. Эксперименты по теме «биоразнообразие – экосистемное функционирование» ......................................................................... 190 3.4.2.Влияние видового разнообразия на мощность экосистемных функций ...................................................................................... 196 3.4.2.1. Гипотезы о характере зависимости мощности экосистемных функций от видового разнообразия ................................................ 196 3.4.2.2. Результаты экспериментов .......................................................... 202 3.4.2.3. Данные обследований природных сообществ ................................ 227 3.4.3. Влияние видового разнообразия на стабильность экосистемного функционирования ........................................... 238 3.4.3.1. Теоретические представления о взаимосвязи видового разнообразия и устойчивости сообществ и популяций ................ 238 3.4.3.2. Данные экспериментов ................................................................... 242 3.4.3.3. Данные о природных сообществах ................................................ 247 4
3.4.3.4. Устойчивость сообществ к болезням, вредителям и инвазиям .. 253 3.4.4. Видовое разнообразие или свойства отдельных видов – что важнее?........................................................................................ 257 3.4.5. Влияние внутрипопуляционного разнообразия на экосистемное функционирование ..................................................................... 263 3.4.5.1. Внутрипопуляционное разнообразие в контексте парадигмы «биоразнообразие – экосистемное функционирование» ............... 263 3.4.5.2. Влияние внутрипопуляционного разнообразия на характеристики популяций ......................................................................................... 267 3.4.5.3. Влияние внутрипопуляционного разнообразия на характеристики экологических сообществ и экосистем .......................................... 275 3.4.6. Влияние условий среды на характер взаимосвязи экосистемного функционирования и биоразнообразия ......... 280 3.4.6.1. Соотношение значимости факторов среды и биоразнообразия для показателей экосистемного функционирования ........................... 280 3.4.6.2. Влияние количества ресурса .......................................................... 282 3.4.6.3. Влияние пространственной гетерогенности среды и нарушения сообществ ....................................................................................... 285 3.4.6.4. Влияние антропогенных нарушений сообществ ........................... 295 3.4.7. Выводы: биоразнообразие как фактор экосистемного функционирования и принцип оптимального разнообразия . 297 3.5. Что от чего зависит? Экосистемные функции и биоразнообразие в контексте факторов среды ...................... 301 3.5.1. Эксперименты и исследования природных сообществ: два подхода к исследованию биоразнообразия .............................. 303 3.5.1.1. Различия экспериментальных и природных сообществ ............... 304 3.5.1.2. Два подхода в исследованиях биоразнообразия: эксперименты с сообществами в выбранных условиях среды и сравнение сообществ, сформировавшихся в разных условиях среды ............. 305 3.5.1.3. Разное понимание «продуктивности» ........................................... 307 3.5.1.4. Объединение положительной, отрицательной и унимодальной зависимостей................................................................................... 309 3.5.2. Двунаправленные связи между разнообразием и функционированием в контексте внешних факторов ............. 314 3.6. Выводы о соответствии принципа оптимального разнообразия имеющимся теоретическим представлениям и эмпирическим данным .......................................................................................... 319 5
4. ПРОЦЕССЫ И МЕХАНИЗМЫ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗНООБРАЗИЯ НАДОРГАНИЗМЕННЫХ БИОСИСТЕМ .. 325 4.1. Общая схема формирования биоразнообразия в ходе экологических, микроэволюционных и эволюционных процессов ...................................................................................... 327 4.2. Оптимизация разнообразия в ходе экологических и микроэволюционных процессов ............................................... 339 4.2.1. Изменение оптимальных значений разнообразия в ходе сукцессии .................................................................................... 341 4.2.1.1. Изменение эффективности использования ресурсов и стабильности сообществ в ходе сукцессии ................................... 342 4.2.1.2. Сукцессия как аналог серии сообществ, оптимальных в разных средах ............................................................................................... 345 4.2.1.3. Изменение соотношения видовых свойств в ходе сукцессии........ 349 4.2.1.4. Различные траектории сукцессий и принцип оптимального разнообразия .................................................................................... 350 4.2.2. Механизмы формирования видового разнообразия: конкуренция, «нейтральные» взаимодействия видов и оптимизация ............................................................................... 356 4.2.2.1. Формирование структуры сообществ в результате взаимодействия видов ..................................................................... 356 4.2.2.2. Соотношение оптимизации с нишевыми и нейтральными механизмами формирования сообществ ........................................ 365 4.2.3. Механизмы оптимизация ширины популяционных ниш и разнообразия симпатрических внутривидовых форм ............. 373 4.2.3.1. Внутри- и межфенотипический компоненты оптимизации ширины популяционной ниши.......................................................... 373 4.2.3.2. Оптимизация в ходе экологических процессов .............................. 378 4.2.3.3. Оптимизация в ходе микроэволюционных процессов.................... 384 4.2.3.4. Оптимизация как дополнительный механизм формирования ширины ниш ..................................................................................... 386 4.2.4. Формирование симпатрических внутривидовых форм как путь оптимизации разнообразия на популяционном и ценотическом уровне .......................................................................................... 388 4.3. Механизмы оптимизации разнообразия надорганизменных биосистем ...................................................................................... 397 4.3.1. Механизмы, позволяющие биосистемам достигать оптимального разнообазия ........................................................ 400 4.3.2. Механизмы реализации оптимальными биосистемами их преимуществ ............................................................................... 402 6
4.3.2.1. Механизмы влияния биоразнообразия на экосистемные функции, выявленные в экспериментах .......................................................... 402 4.3.2.2. Оптимизация как дополнительный механизм влияния разнообразия на функции биосистем ............................................. 413 4.3.2.3. Какие механизмы могут заменить «отбор» на надорганизменном уровне? Гипотезы о механизмах реализации оптимальными биосистемами их преимуществ ..................................................... 414 4.4. Изменение оптимальных значений разнообразия в ходе эволюционных процессов .......................................................... 417 4.4.1. Изменение параметров оптимальности при повышении эволюционного уровня организмов .......................................... 420 4.4.2. Изменение параметров оптимальности в ходе эволюции сообществ ................................................................................... 425 4.5. Оптимизация разнообразия как возможный фактор усложнения иерархии биосистем .............................................. 431 4.6. Выводы: оптимизация как фактор формирования разнообразия биосистем на разных иерархических уровнях ........................................................................................................ 445 5. ПРИНЦИП ОПТИМАЛЬНОГО РАЗНООБРАЗИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ ........................................................... 451 5.1. Жизнеобеспечивающие функции живой природы и экологоцентрическая концепция природопользования ...... 453 5.2. Некоторые выводы из принципа оптимального разнообразия для стратегии природопользования......................................... 465 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................................... 481 7
1.
ВВЕДЕНИЕ
Самая поразительная черта Земли – жизнь.
Самая поразительная черта жизни – ее разнообразие.
Главная особенность современного этапа развития
Земли – быстрое сокращение биологического
разнообразия
Tilman, 2000.
9
Доступ онлайн
194 ₽
В корзину