Введение

Разрывы в среде обитания организма, приводящие к фрагментации популяций. Фрагментация среды обитания описывает возникновение разрывов (фрагментации) в предпочтительной среде обитания организма, вызывая фрагментацию популяций и деградацию экосистем. Причины фрагментации среды обитания включают геологические процессы, медленно изменяющие структуру физической среды (предполагается, что это одна из основных причин видообразования). В научной литературе ведутся дискуссии о том, применим ли термин "фрагментация среды обитания" в случаях потери среды обитания, или же он в первую очередь относится к явлению разделения среды обитания на более мелкие участки без существенного уменьшения ее площади. Ученые, использующие более строгое определение "фрагментации среды обитания" как таковой, приводят примеры. Например, исследования показывают, что влияние поедания растительности оленями на лесные растительные сообщества можно наблюдать на ландшафтном уровне в провинциальном парке Рондо в период с 1955 по 1978 год. После интенсивной вырубки отдельные фрагменты, как правило, представляют собой небольшие изолированные участки, отделенные друг от друга сельскохозяйственными угодьями, пастбищами, дорогами или даже пустырями. Последнее часто является результатом подсечно-огневого земледелия в тропических лесах. В пшеничном поясе центрально-западной части Нового Южного Уэльса, Австралия, было уничтожено 90% местной растительности, а более 99% высокотравных прерий Северной Америки – уничтожены, что привело к экстремальной фрагментации среды обитания.

Эндогенные и экзогенные

Существует два типа процессов, которые могут привести к фрагментации среды обитания: экзогенные и эндогенные. Эндогенные процессы развиваются как часть биологии видов и обычно включают изменения в биологии, поведении и взаимодействиях внутри видов или между ними. Эндогенные угрозы могут приводить к изменениям в моделях размножения или миграции и часто вызываются экзогенными процессами. Экзогенные процессы не зависят от биологии видов и могут включать деградацию среды обитания, разделение среды обитания или изоляцию среды обитания. Эти процессы могут оказывать существенное влияние на эндогенные процессы, кардинально изменяя поведение видов. Разделение или изоляция среды обитания может приводить к изменениям в расселении или перемещении видов, включая изменения сезонной миграции. Эти изменения могут приводить к снижению численности видов, усилению конкуренции или даже увеличению хищничества.

Потеря местообитания и биоразнообразия

Одним из основных способов, которыми фрагментация среды обитания влияет на биоразнообразие, является сокращение количества подходящих мест обитания, доступных для организмов. Фрагментация среды обитания часто включает в себя как разрушение среды обитания, так и разделение ранее сплошной среды обитания. Растения и другие неподвижные организмы непропорционально сильно страдают от некоторых типов фрагментации среды обитания, поскольку они не могут быстро реагировать на изменившуюся пространственную конфигурацию среды обитания. Фрагментация среды обитания последовательно снижает биоразнообразие на 13–75% и ухудшает ключевые функции экосистем, уменьшая биомассу и изменяя круговорот питательных веществ. Это подчеркивает серьезные и долгосрочные экологические последствия фрагментации, которые следует осветить в разделах, посвященных последствиям фрагментации. Потеря среды обитания, которая может происходить в процессе фрагментации, считается главной угрозой для видов. Однако влияние конфигурации фрагментов среды обитания в ландшафте, независимо от влияния количества среды обитания (так называемая фрагментация как таковая), считается незначительным. Обзор эмпирических исследований показал, что из 381 зафиксированного значительного влияния фрагментации среды обитания как таковой на численность, распространение или разнообразие видов в научной литературе, 76% были положительными, а 24% – отрицательными. Несмотря на эти результаты, научная литература склонна больше подчеркивать негативные эффекты, чем положительные. Положительные эффекты фрагментации среды обитания как таковой подразумевают, что несколько небольших фрагментов среды обитания могут иметь более высокую природоохранную ценность, чем один большой фрагмент эквивалентного размера. Площадь является основным определяющим фактором количества видов во фрагменте, а относительный вклад демографических и генетических процессов в риск глобального вымирания популяции зависит от конфигурации среды обитания, стохастических изменений окружающей среды и характеристик видов. Незначительные колебания климата, ресурсов или других факторов, которые были бы несущественными и быстро корректировались бы в крупных популяциях, могут быть катастрофическими для небольших, изолированных популяций. Таким образом, фрагментация среды обитания является важной причиной вымирания видов. Кроме того, фрагментация среды обитания приводит к краевым эффектам. Микроклиматические изменения света, температуры и ветра могут изменить экологию вокруг фрагмента, а также во внутренних и внешних его частях. Повышается вероятность пожаров из-за снижения влажности и повышения температуры и скорости ветра. В таких нарушенных средах легко могут закрепиться чужеродные и вредительские виды, а близость домашних животных часто нарушает естественную экологию. Кроме того, среда обитания по краю фрагмента имеет другой климат и благоприятствует другим видам, чем внутренняя среда обитания. Поэтому небольшие фрагменты неблагоприятны для видов, требующих внутренней среды обитания. Процент сохранения сплошных мест обитания тесно связан с сохранением как генетического, так и видового биоразнообразия. Как правило, сохранение 10% сплошной среды обитания приводит к потере 50% биоразнообразия. Большая часть оставшихся наземных мест обитания диких животных во многих развивающихся странах подверглась фрагментации из-за развития городской экспансии, такой как дороги, препятствующие сохранению среды обитания. Среда обитания водных видов была фрагментирована плотинами и водоотводами. Эти фрагменты среды обитания могут быть недостаточно большими или связанными, чтобы поддерживать виды, которым необходима большая территория для поиска партнеров и пищи. Потеря и фрагментация среды обитания затрудняют мигрирующим видам поиск мест для отдыха и кормления на путях миграции. Существование жизнеспособной среды обитания имеет решающее значение для выживания любого вида, и во многих случаях фрагментация любой оставшейся среды обитания может привести к сложным решениям для специалистов по охране природы. Учитывая ограниченность ресурсов, доступных для охраны природы, предпочтительнее защищать существующие изолированные фрагменты среды обитания или выкупать землю для получения максимально возможного сплошного участка. В редких случаях виды, зависящие от охраны, могут получить некоторую степень защиты от болезней, будучи распределенными в изолированных местах обитания, и при контроле за общей потерей среды обитания некоторые исследования показали положительную связь между богатством видов и фрагментацией; это явление получило название гипотезы об объеме среды обитания, хотя достоверность этого утверждения оспаривается. Продолжающиеся дебаты о том, какие размеры фрагментов наиболее важны для охраны природы, часто называют SLOSS (Single Large or Several Small – один большой или несколько маленьких). Потеря среды обитания в очагах биоразнообразия может привести к локальному кризису вымирания; в целом, потеря среды обитания в очаге может быть хорошим индикатором или предиктором количества находящихся под угрозой исчезновения и вымерших эндемичных видов. Одним из решений проблемы фрагментации среды обитания является соединение фрагментов путем сохранения или посадки коридоров из местной растительности. В некоторых случаях моста или подземного перехода может быть достаточно для соединения двух фрагментов. Это может смягчить проблему изоляции, но не потерю внутренней среды обитания. Коридоры дикой природы могут помочь животным перемещаться и занимать новые территории, когда источники пищи или другие природные ресурсы отсутствуют в их основной среде обитания, а животные могут находить новых партнеров в соседних регионах, что способствует увеличению генетического разнообразия. Сезонно мигрирующие виды могут перемещаться безопаснее и эффективнее, когда это не мешает препятствиям, созданным человеком. В связи с непрерывным расширением городских ландшафтов, современные исследования рассматривают зеленые крыши как возможные векторы коридоров среды обитания. Недавнее исследование показало, что зеленые крыши полезны для соединения мест обитания членистоногих, в частности пчел и долгоносиков. Другой мерой смягчения последствий является увеличение небольших остатков для увеличения количества внутренней среды обитания. Это может быть непрактично, поскольку застроенные земли часто дороже и могут потребовать значительных затрат времени и усилий для восстановления. Лучшее решение обычно зависит от конкретного вида или экосистемы, которые рассматриваются. Более подвижным видам, таким как большинство птиц, не требуется связанная среда обитания, в то время как некоторые мелкие животные, такие как грызуны, могут быть более уязвимы для хищников на открытой местности. Эти вопросы обычно относятся к разделам, посвященным метапопуляциям и островной биогеографии.

Генетические риски

Поскольку оставшиеся фрагменты среды обитания меньше, они, как правило, поддерживают популяции меньшего размера, состоящие из меньшего числа видов. Небольшие популяции подвергаются повышенному риску различных генетических последствий, влияющих на их долгосрочное выживание. Остаточные популяции часто содержат лишь часть генетического разнообразия, которое было в ранее сплошной среде обитания. В таких случаях процессы, действующие на лежащее в основе генетическое разнообразие, такие как адаптация, располагают меньшим запасом аллелей, поддерживающих приспособленность, для выживания в условиях меняющейся окружающей среды. Однако в некоторых ситуациях, когда части генетического разнообразия распределены между несколькими фрагментами среды обитания, почти все исходное генетическое разнообразие может быть сохранено, несмотря на то, что каждый отдельный фрагмент демонстрирует уменьшенную его часть.

Генный поток и инбридинг

Генный поток происходит, когда особи одного и того же вида обмениваются генетической информацией посредством размножения. Популяции могут поддерживать генетическое разнообразие посредством миграции. Когда среда обитания фрагментируется и уменьшается в площади, генный поток и миграция обычно снижаются. Меньшее количество особей будет мигрировать в оставшиеся фрагменты, и небольшие изолированные популяции, которые ранее могли быть частью одной большой популяции, становятся репродуктивно изолированными. Научные данные, подтверждающие снижение генного потока из-за фрагментации, зависят от изучаемого вида. В то время как деревья с механизмами опыления и распространения на большие расстояния могут не испытывать снижения генного потока после фрагментации, большинство видов подвергаются риску снижения генного потока после фрагментации среды обитания. Инбридинговая депрессия связана с угрозами сохранению, такими как локальное вымирание.

Генетический дрейф

Небольшие популяции более восприимчивы к генетическому дрейфу. Генетический дрейф – это случайные изменения в генетическом составе популяций, приводящие к снижению генетического разнообразия. Чем меньше популяция, тем выше вероятность того, что генетический дрейф станет основной движущей силой эволюции, а не естественный отбор. Поскольку генетический дрейф является случайным процессом, он не способствует лучшей адаптации видов к окружающей среде. Фрагментация среды обитания связана с усилением генетического дрейфа в небольших популяциях, что может негативно сказаться на их генетическом разнообразии.

Адаптация

Для того чтобы популяции эволюционировали в ответ на естественный отбор, они должны быть достаточно большими, чтобы естественный отбор был более мощной эволюционной силой, чем генетический дрейф. Недавние исследования, посвященные влиянию фрагментации среды обитания на адаптацию у некоторых видов растений, показали, что организмы во фрагментированных ландшафтах могут адаптироваться к самой фрагментации. Однако существует множество случаев, когда фрагментация снижает способность к адаптации из-за малого размера популяции.

Хищническое поведение

Фрагментация среды обитания, вызванная антропогенной деятельностью, оказывает значительное влияние на динамику «хищник-жертва» у многих видов, изменяя численность видов и состав популяций. Способы, которыми фрагментация изменяет и перестраивает эти взаимодействия, могут быть разнообразными. Большинство видов жертв имеют участки земли, служащие убежищем от хищников, обеспечивая безопасность для размножения и выращивания потомства. Созданные человеком структуры, такие как дороги и трубопроводы, изменяют эти участки, облегчая хищническую активность в убежищах и увеличивая перекрытие ареалов хищников и жертв. Эти особенности позволяют естественным хищникам, таким как волк и черный медведь, более эффективно перемещаться по ландшафту и между участками суши. Иногда это используется как сигнал угрозы, указывающий на приближающееся нападение на территорию. Обширный песенный репертуар повышает способность самца выживать и размножаться, поскольку он лучше защищает свою территорию от других самцов, а большее количество самцов в популяции означает большее разнообразие передаваемых песен. Хотя некоторые виды способны выживать в таких сложных условиях, как, например, вырубка лесов для целлюлозно-бумажной промышленности, есть животные, которые адаптируются к этим изменениям, а есть и те, кто не может. Например, различные водные насекомые используют поляризованный свет для поиска подходящих прудов для откладывания яиц, однако из-за изменений в экосистемах, вызванных деятельностью человека, они направляются на искусственные сооружения, излучающие искусственный свет, например, от сухих асфальтовых дорог.

Влияние на микроорганизмы

Хотя фрагментация среды обитания часто ассоциируется с ее влиянием на крупные популяции растений и животных и биоразнообразие, из-за взаимосвязанности экосистем она также оказывает значительное воздействие на микробиоту окружающей среды. Увеличение фрагментации связано со снижением численности и разнообразия грибов, ответственных за разложение, а также насекомых, которые являются их хозяевами. Это коррелирует с упрощением пищевых цепей в сильно фрагментированных участках по сравнению с нетронутыми лесами. Более того, установлено, что краевые эффекты приводят к значительному изменению микросреды по сравнению с внутренней частью леса из-за колебаний освещенности, воздействия ветра, изменений в количестве осадков и общего содержания влаги в подстилке. Эти микросреды часто неблагоприятны для здоровья леса в целом, поскольку способствуют процветанию общих видов в ущерб специалистам, зависящим от конкретных условий. Примером может служить взаимовыгодное сотрудничество между Mesogyne insignis и Megachile. Исследование показало, что в нефрагментированных лесах опыление более эффективно и производство плодов M. insignis выше, чем во фрагментированных лесах. Что касается примера антагонистических отношений, таких как хищничество на гнездах, исследование не выявило увеличения хищничества на гнезда во фрагментированных лесах, что не подтверждает гипотезу о краевом эффекте.

Влияние на экосистемные услуги

Фрагментация среды обитания оказывает глубокое влияние на экосистемные услуги, воздействуя на удержание питательных веществ, видовое разнообразие и местные биофизические условия. Процессы, обусловленные фрагментацией, вызывают общие закономерности в реакциях на популяционном, сообщественном и экосистемном уровнях, приводя к снижению удержания питательных веществ. Более того, фрагментация среды обитания изменяет взаимосвязи между биоразнообразием и функционированием экосистем в различных масштабах, влияя как на локальную потерю биоразнообразия, так и на локальную потерю функций. Помимо этого, фрагментация может изменять микроклимат как на локальном, так и на региональном уровнях, воздействуя на биоразнообразие через взаимодействие с антропогенными изменениями климата. В целом, фрагментация среды обитания существенно нарушает экосистемные услуги, изменяя удержание питательных веществ, биоразнообразие и функционирование экосистем в различных пространственных и временных масштабах.

Подходы к пониманию фрагментации среды обитания

Для понимания фрагментации среды обитания и ее экологических последствий обычно используются два подхода.

Ориентированный на виды подход

Подход, ориентированный на виды, фокусируется конкретно на отдельных видах и на том, как каждый из них реагирует на окружающую среду и изменения в среде обитания. Этот подход может быть ограничен, поскольку он рассматривает только отдельные виды и не позволяет получить широкую картину влияния фрагментации среды обитания на видовой состав в целом.

Образцово-ориентированный подход

Подход, ориентированный на структуру ландшафта, основан на типе земной поверхности и его пространственной организации в связи с распространением видов. Одной из моделей изучения пространственной организации ландшафта является модель «пятно-матрица-коридор», разработанная Ричардом Форманом. Подход, ориентированный на структуру ландшафта, фокусируется на типе земной поверхности, определяемом деятельностью и воздействием человека. Эта модель берет начало в теории островной биогеографии и стремится установить причинно-следственные связи между сформированными ландшафтами и присутствием в них видов или групп видов. Данный подход имеет ограничения, связанные с общими предположениями, применимыми ко всем видам или ландшафтам, которые могут не учитывать различия между ними.

Модель вариации

Другая модель – модель пестроты (или мозаичности). Пестрые ландшафты сохраняют значительную часть своей естественной растительности, но перемежаются с градиентами измененных местообитаний. Эта модель фрагментации местообитаний обычно применяется к ландшафтам, подвергшимся воздействию сельского хозяйства. В отличие от модели фрагментации, характеризующейся изолированными участками местообитаний, окруженными неподходящей ландшафтной матрицей, модель пестроты применяется к ландшафтам, измененным сельским хозяйством, где небольшие участки местообитаний остаются вблизи сохранившихся участков первоначальной среды обитания. Между этими участками располагается матрица лугов, часто являющаяся модифицированной версией первоначальной среды обитания. Эти участки не представляют собой серьезного препятствия для местных видов.