Рис. 7.5
Степень уничтожения хищниками той или иной дичи зависит от размеров тела добычи. Сравнительно мелкие антилопы – в частности, ориби, топи, импала – в основном погибают от нападений хищников: хищничество является главным фактором, регулирующим их численность. Более крупные млекопитающие, такие как жирафы, гиппопотамы или слоны, почти не гибнут от нападений хищников: их численность зависит от количества доступной пищи
Иллюстрация выполнена Лиэнн Олдс на основе данных, полученных Sinclair et al., 2010
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 увеличения 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.
