Травоядное животное — это животное , которое анатомически и физиологически эволюционировало для питания растениями , особенно сосудистыми тканями, такими как листва , плоды или семена , в качестве основного компонента своего рациона . В более широком смысле они также охватывают животных, которые питаются несосудистыми автотрофами, такими как мхи , водоросли и лишайники , но не включают тех, кто питается разложившимися растительными веществами (т. е. детритофаги ) или макрогрибами (т. е. грибоядные ).
В результате их растительной диеты травоядные животные обычно имеют ротовые структуры ( челюсти или ротовые части ), хорошо приспособленные для механического расщепления растительных материалов, а их пищеварительные системы имеют специальные ферменты (например, амилазу и целлюлазу ) для переваривания полисахаридов . Травоядные травоядные, такие как лошади и крупный рогатый скот, имеют широкие зубы с плоской коронкой , которые лучше приспособлены для измельчения травы , коры деревьев и других более жестких материалов, содержащих лигнин , и многие из них развили поведение пережевывания или цекотропии , чтобы лучше извлекать питательные вещества из растений. Большой процент травоядных также имеет мутуалистическую кишечную флору, состоящую из бактерий и простейших , которые помогают расщеплять целлюлозу в растениях, [1] чья сильно сшитая полимерная структура делает ее гораздо более трудной для переваривания, чем богатые белком и жиром ткани животных , которые едят плотоядные . [2]
Herbivore — это англизированная форма современного латинского слова herbivora , упомянутого в «Принципах геологии» Чарльза Лайелла 1830 года . [3] Ричард Оуэн использовал англизированный термин в работе 1854 года об ископаемых зубах и скелетах. [3] Herbivora происходит от латинского herba «маленькое растение, трава» [4] и vora , от vorare «есть, пожирать». [5]
Травоядность — это форма потребления , при которой организм в основном питается автотрофами [6], такими как растения , водоросли и фотосинтезирующие бактерии . В более общем смысле, организмы, которые питаются автотрофами в целом, известны как первичные потребители . Травоядность обычно ограничивается животными, которые питаются растениями. Травоядность насекомых может вызывать различные физические и метаболические изменения в том, как растение-хозяин взаимодействует с собой и другими окружающими биотическими факторами. [7] [8] Грибы, бактерии и простейшие, которые питаются живыми растениями, обычно называются фитопатогенами (болезнями растений), в то время как грибы и микробы , которые питаются мертвыми растениями, описываются как сапротрофы . Цветковые растения, которые получают питание от других живых растений, обычно называются паразитическими растениями . Однако не существует единой исключительной и окончательной экологической классификации моделей потребления; в каждом учебнике есть свои собственные вариации на эту тему. [9] [10] [11]
Понимание травоядности в геологическое время происходит из трех источников: окаменелые растения, которые могут сохранять свидетельства защиты (например, шипы) или повреждения, связанные с травоядностью; наблюдение за растительными остатками в окаменелых фекалиях животных ; и строение ротовых органов травоядных. [12]
Хотя травоядность долгое время считалась мезозойским явлением, окаменелости показали, что растения стали употребляться в пищу членистоногими менее чем через 20 миллионов лет после появления первых наземных растений. [13] Насекомые питались спорами ранних девонских растений, а райниский кремень также предоставляет доказательства того, что организмы питались растениями, используя технику «прокалывания и сосания». [12]
В течение следующих 75 миллионов лет [ требуется ссылка ] растения развили ряд более сложных органов, таких как корни и семена. Нет никаких доказательств того, что какой-либо организм питался до середины-конца Миссисипи , 330,9 миллионов лет назад . Был разрыв в 50-100 миллионов лет между временем, когда каждый орган эволюционировал, и временем, когда организмы эволюционировали, чтобы питаться ими; это может быть связано с низким уровнем кислорода в этот период, который мог подавить эволюцию. [13] Помимо их статуса членистоногих, идентичность этих ранних травоядных неопределенна. [13] Питание из нор и скелетирование зафиксированы в раннем пермском периоде , а питание поверхностной жидкостью развилось к концу этого периода. [12]
Травоядность среди четвероногих наземных позвоночных, тетрапод , развилась в позднем карбоне (307–299 миллионов лет назад). [14] Самый древний известный пример — Desmatodon hesperis. [15] Ранние тетраподы были крупными амфибийными рыбоядными . В то время как амфибии продолжали питаться рыбой и насекомыми, некоторые рептилии начали осваивать два новых типа пищи: тетраподы (хищничество) и растения (травоядность). Весь отряд динозавров Ornithischia состоял из травоядных динозавров. [14] Хищничество было естественным переходом от насекомоядности для средних и крупных четвероногих, требующим минимальной адаптации. Напротив, для питания высоковолокнистыми растительными материалами был необходим сложный набор адаптаций. [14]
Членистоногие эволюционировали травоядность в четыре фазы, меняя свой подход к ней в ответ на изменение растительных сообществ. [16] Четвероногие травоядные впервые появились в ископаемой летописи своих челюстей около границы пермио-карбона, примерно 300 миллионов лет назад. Самые ранние свидетельства их травоядности были приписаны зубной окклюзии , процессу, при котором зубы верхней челюсти соприкасаются с зубами нижней челюсти. Эволюция зубной окклюзии привела к резкому увеличению переработки растительной пищи и предоставляет доказательства о стратегиях питания, основанных на моделях износа зубов. Изучение филогенетических структур морфологов зубов и челюстей показало, что зубная окклюзия развивалась независимо в нескольких линиях четвероногих травоядных. Это говорит о том, что эволюция и распространение происходили одновременно в различных линиях. [17]
Травоядные животные образуют важное звено в пищевой цепи, поскольку они потребляют растения для переваривания углеводов, которые производятся растением путем фотосинтеза . Хищники , в свою очередь, потребляют травоядных по той же причине, в то время как всеядные могут получать свои питательные вещества как из растений, так и из животных. Из-за способности травоядных животных выживать исключительно за счет жесткой и волокнистой растительной массы, их называют основными потребителями в пищевом цикле (цепи). Травоядность, плотоядность и всеядность можно рассматривать как особые случаи взаимодействия потребителя и ресурса . [18]
Две стратегии питания травоядных животных — это выпас (например, коровы) и обгрызание (например, лоси). Для того чтобы наземное млекопитающее называлось травоядным, по крайней мере 90% корма должно быть травой, а для обгрызающего — листьями и ветками деревьев. Промежуточная стратегия питания называется «смешанным кормлением». [19] В своей ежедневной потребности получать энергию из корма травоядные животные с разной массой тела могут быть избирательны в выборе пищи. [20] «Избирательный» означает, что травоядные могут выбирать источник корма в зависимости, например, от сезона или доступности пищи, но также и то, что они могут выбирать высококачественный (и, следовательно, высокопитательный) корм перед кормом более низкого качества. Последнее особенно определяется массой тела травоядного животного, при этом мелкие травоядные выбирают высококачественный корм, а с увеличением массы тела животные становятся менее избирательными. [20] Несколько теорий пытаются объяснить и количественно оценить связь между животными и их пищей, например , закон Клейбера , уравнение диска Холлинга и теорема о предельной ценности (см. ниже).
Закон Клейбера описывает связь между размером животного и его стратегией питания, глася, что более крупным животным нужно потреблять меньше пищи на единицу веса, чем более мелким животным. [21] Закон Клейбера гласит, что скорость метаболизма (q 0 ) животного равна массе животного (M), возведенной в степень 3/4: q 0 =M 3/4
Поэтому масса животного увеличивается быстрее, чем скорость метаболизма. [21]
Травоядные используют многочисленные типы стратегий питания. Многие травоядные не придерживаются какой-то одной конкретной стратегии питания, а используют несколько стратегий и едят различные части растений.
Теория оптимального кормодобывания — это модель для прогнозирования поведения животных при поиске пищи или других ресурсов, таких как укрытие или вода. Эта модель оценивает как индивидуальное движение, например, поведение животных при поиске пищи, так и распределение в пределах среды обитания, например, динамику на уровне популяции и сообщества. Например, модель будет использоваться для изучения поведения оленя при поиске пищи, а также конкретного местоположения и движения этого оленя в пределах лесной среды обитания и его взаимодействия с другими оленями в этой среде обитания. [22]
Эту модель критиковали как замкнутую и непроверяемую. Критики указывали, что ее сторонники используют примеры, которые соответствуют теории, но не используют модель, когда она не соответствует реальности. [23] [24] Другие критики указывают, что животные не способны оценивать и максимизировать свои потенциальные выгоды, поэтому теория оптимального кормодобывания неактуальна и выведена для объяснения тенденций, которых не существует в природе. [25] [26]
Уравнение диска Холлинга моделирует эффективность, с которой хищники потребляют добычу. Модель предсказывает, что по мере увеличения количества добычи увеличивается и время, которое хищники тратят на обработку добычи, и, следовательно, эффективность хищника снижается. [27] [ нужна страница ] В 1959 году С. Холлинг предложил уравнение для моделирования нормы прибыли для оптимальной диеты: Норма (R )=Энергия, полученная при поиске пищи (Ef)/(время поиска (Ts) + время обработки (Th))
Где s=стоимость поиска за единицу времени, f=частота встреч с предметами, h=время обработки, e=энергия, полученная за встречу.
По сути, это означало бы, что травоядное животное в густом лесу будет тратить больше времени на обработку (поедание) растительности, поскольку вокруг будет много растительности, чем травоядное животное в редком лесу, которое может легко прочесывать лесную растительность. Согласно уравнению диска Холлинга, травоядное животное в редком лесу будет более эффективно питаться, чем травоядное животное в густом лесу.
Теорема предельной ценности описывает баланс между поеданием всей пищи на участке для немедленного получения энергии или перемещением на новый участок и оставлением растений на первом участке для регенерации для будущего использования. Теория предсказывает, что при отсутствии осложняющих факторов животное должно покинуть участок с ресурсами, когда скорость выплаты (количество пищи) падает ниже средней скорости выплаты для всей области. [28] Согласно этой теории, животное должно перейти на новый участок с пищей, когда участок, на котором оно в данный момент питается, требует больше энергии для получения пищи, чем средний участок. В рамках этой теории возникают два последующих параметра: плотность отдачи (GUD) и время отдачи (GUT). Плотность отдачи (GUD) количественно определяет количество пищи, которая остается на участке, когда собиратель переходит на новый участок. [29] Время отдачи (GUT) используется, когда животное непрерывно оценивает качество участка. [30]
Взаимодействие между растениями и травоядными может играть преобладающую роль в динамике экосистемы, такой как структура сообщества и функциональные процессы. [31] [32] Разнообразие и распространение растений часто обусловлены травоядностью, и вполне вероятно, что компромиссы между конкурентоспособностью растений и защитой , а также между колонизацией и смертностью позволяют сосуществовать видам в присутствии травоядных. [33] [34] [35] [36] Однако влияние травоядности на разнообразие и богатство растений является изменчивым. Например, увеличение численности травоядных, таких как олени, снижает разнообразие растений и богатство видов , [37] в то время как другие крупные млекопитающие травоядные, такие как бизоны, контролируют доминирующие виды, что позволяет другим видам процветать. [38] Взаимодействие растений и травоядных также может осуществляться таким образом, что растительные сообщества опосредуют сообщества травоядных. [39] Растительные сообщества, которые более разнообразны, обычно поддерживают большее богатство травоядных, предоставляя больший и более разнообразный набор ресурсов. [40]
Коэволюция и филогенетическая корреляция между травоядными и растениями являются важными аспектами влияния взаимодействий травоядных и растений на сообщества и функционирование экосистем, особенно в отношении травоядных насекомых. [32] [39] [41] Это очевидно в адаптациях, которые растения развивают, чтобы выдерживать и/или защищаться от травоядных насекомых, и в ответах травоядных животных, чтобы преодолеть эти адаптации. Эволюция антагонистических и мутуалистических взаимодействий растения и травоядных не являются взаимоисключающими и могут происходить одновременно. [42] Было обнаружено, что филогения растений способствует колонизации и сборке сообществ травоядных, и есть доказательства филогенетической связи между бета-разнообразием растений и филогенетическим бета-разнообразием клад насекомых, таких как бабочки . [39] Эти типы эко-эволюционных обратных связей между растениями и травоядными, вероятно, являются основной движущей силой разнообразия растений и травоядных. [39] [43]
Абиотические факторы, такие как климат и биогеографические особенности, также влияют на сообщества и взаимодействия растений и травоядных. Например, в умеренных пресноводных водно-болотных угодьях сообщества травоядных водоплавающих птиц меняются в зависимости от сезона, при этом виды, питающиеся надземной растительностью, обильны летом, а виды, питающиеся под землей, присутствуют в зимние месяцы. [31] [36] Эти сезонные сообщества травоядных различаются как по своему составу, так и по функциям в экосистеме водно-болотных угодий . [36] Такие различия в модальностях травоядных могут потенциально приводить к компромиссам, которые влияют на признаки видов и могут приводить к дополнительным эффектам на состав сообщества и функционирование экосистемы. [31] [36] Сезонные изменения и экологические градиенты, такие как высота и широта, часто влияют на вкусовые качества растений, что, в свою очередь, влияет на сообщества травоядных и наоборот. [32] [44] Примерами служат снижение численности личинок, жующих листья, осенью, когда вкусовая привлекательность листьев твердых пород древесины снижается из-за повышенного уровня танина , что приводит к снижению видового богатства членистоногих , [45] и повышение вкусовой привлекательности растительных сообществ на больших высотах, где численность кузнечиков ниже. [32] Климатические стрессоры, такие как закисление океана, также могут приводить к реакциям во взаимодействиях растений и травоядных в отношении вкусовой привлекательности. [46]
Бесчисленные защиты, демонстрируемые растениями, означают, что их травоядным необходимы разнообразные навыки для преодоления этих защит и добычи пищи. Это позволяет травоядным увеличивать потребление пищи и использование растения-хозяина. У травоядных есть три основные стратегии борьбы с защитой растений: выбор, модификация травоядных и модификация растений.
Выбор корма включает в себя выбор растений, которые травоядное животное выбирает для потребления. Было высказано предположение, что многие травоядные питаются различными растениями, чтобы сбалансировать потребление питательных веществ и избежать потребления слишком большого количества какого-либо одного типа защитных химикатов. Однако это подразумевает компромисс между поиском пищи на многих видах растений, чтобы избежать токсинов, или специализацией на одном типе растений, который можно детоксифицировать. [47]
Модификация травоядных животных происходит, когда различные адаптации к телу или пищеварительной системе травоядных животных позволяют им преодолевать защиту растений. Это может включать детоксикацию вторичных метаболитов , [48] секвестрацию токсинов в неизмененном виде, [49] или избегание токсинов, например, посредством выработки большого количества слюны для снижения эффективности защиты. Травоядные животные также могут использовать симбионтов, чтобы обойти защиту растений. Например, некоторые тли используют бактерии в своем кишечнике для обеспечения незаменимых аминокислот, которых не хватает в их соковой диете. [50]
Модификация растений происходит, когда травоядные манипулируют своей растительной добычей, чтобы увеличить ее количество. Например, некоторые гусеницы скручивают листья, чтобы снизить эффективность защиты растений, активируемой солнечным светом. [51]
Защита растений — это черта, которая повышает приспособленность растений к травоядным. Она измеряется относительно другого растения, у которого отсутствует защитная черта. Защитные свойства растений повышают выживаемость и/или воспроизводство (приспособленность) растений под давлением хищников-травоядных.
Защиту можно разделить на две основные категории: толерантность и устойчивость. Толерантность — это способность растения выдерживать повреждения без снижения приспособленности. [52] Это может происходить путем переключения травоядности на несущественные части растения, распределения ресурсов, компенсаторного роста или быстрого возобновления роста и восстановления после травоядности. [53] Устойчивость относится к способности растения уменьшать количество повреждений, которые оно получает от травоядных. [52] Это может происходить путем избегания в пространстве или времени, [54] физической защиты или химической защиты. Защиты могут быть либо конститутивными, всегда присутствующими в растении, либо вызванными, произведенными или перемещенными растением после повреждения или стресса. [55]
Физические или механические защитные средства — это барьеры или структуры, предназначенные для сдерживания травоядных животных или снижения скорости потребления, что снижает общую травоядность. Одним из примеров являются шипы , такие как те, что встречаются на розах или акациях, а также колючки на кактусах. Более мелкие волоски, известные как трихомы, могут покрывать листья или стебли и особенно эффективны против беспозвоночных травоядных животных. [56] Кроме того, некоторые растения имеют воски или смолы , которые изменяют их текстуру, что затрудняет их употребление в пищу. Кроме того, включение кремния в клеточные стенки аналогично роли лигнина , поскольку он является устойчивым к сжатию структурным компонентом клеточных стенок; таким образом, растения с клеточными стенками, пропитанными кремнием, получают определенную защиту от травоядности. [57]
Химическая защита — это вторичные метаболиты, вырабатываемые растением, которые отпугивают травоядных. В природе их существует огромное множество, и одно растение может иметь сотни различных химических защит. Химическую защиту можно разделить на две основные группы: защиту на основе углерода и защиту на основе азота. [58]
Растения также изменили черты, которые повышают вероятность привлечения естественных врагов к травоядным. Некоторые выделяют семиохимические вещества, запахи, которые привлекают естественных врагов, в то время как другие обеспечивают пищу и жилье для поддержания присутствия естественных врагов, например, муравьев , которые снижают травоядность. [60] У определенного вида растений часто есть много типов защитных механизмов, механических или химических, конститутивных или индуцированных, которые позволяют ему ускользать от травоядных. [61]
Согласно теории взаимодействия хищник -жертва, отношения между травоядными и растениями являются циклическими. [62] Когда добыча (растения) многочисленна, их хищники (травоядные) увеличиваются в числе, сокращая популяцию добычи, что, в свою очередь, приводит к снижению численности хищников. [62] Популяция добычи в конечном итоге восстанавливается, начиная новый цикл. Это говорит о том, что популяция травоядных колеблется вокруг пропускной способности источника пищи, в данном случае растения.
Несколько факторов играют роль в этих колеблющихся популяциях и помогают стабилизировать динамику хищник-жертва. Например, сохраняется пространственная неоднородность, что означает, что всегда будут участки растений, не найденные травоядными. Эта стабилизирующая динамика играет особенно важную роль для специализированных травоядных, которые питаются одним видом растений, и не дает этим специалистам уничтожить свой источник пищи. [63] Защита добычи также помогает стабилизировать динамику хищник-жертва, и для получения дополнительной информации об этих отношениях см. раздел Защита растений. Поедание второго типа добычи помогает стабилизировать популяции травоядных. [63] Чередование двух или более типов растений обеспечивает стабильность популяции для травоядных, в то время как популяции растений колеблются. [62] Это играет важную роль для универсальных травоядных, которые едят различные растения. Основные травоядные контролируют популяции растительности и обеспечивают большее разнообразие как травоядных, так и растений. [63] Когда в систему проникает инвазивное травоядное животное или растение, равновесие нарушается, и разнообразие может разрушиться до монотаксонной системы. [63]
Взаимосвязь защиты растений и нападения травоядных приводит к коэволюции между растениями и травоядными, что приводит к «коэволюционной гонке вооружений». [48] [64] Механизмы побега и радиации для коэволюции представляют идею о том, что адаптации у травоядных и их растений-хозяев были движущей силой видообразования . [65] [66]
Хотя большая часть взаимодействия травоядных и защиты растений негативна, когда одна особь снижает приспособленность другой, некоторые из них полезны. Эта полезная травоядность принимает форму мутуализма , при котором оба партнера получают некоторую выгоду от взаимодействия. Распространение семян травоядными и опыление являются двумя формами мутуалистического травоядства, при котором травоядное получает пищевой ресурс, а растение получает помощь в воспроизводстве. [67] Растения также могут косвенно подвергаться влиянию травоядных через рециркуляцию питательных веществ , при этом растения получают выгоду от травоядных, когда питательные вещества рециркулируются очень эффективно. [42] Другая форма мутуализма растений и травоядных — это физические изменения окружающей среды и/или структуры растительного сообщества травоядными, которые служат инженерами экосистемы , например, валяние в грязи бизонами. [68] Лебеди формируют взаимные отношения с видами растений, которые они добывают , копая и нарушая осадок, который удаляет конкурирующие растения и впоследствии позволяет колонизировать другие виды растений. [31] [36]
Когда травоядные подвергаются воздействию трофических каскадов , растительные сообщества могут быть затронуты косвенно. [69] Часто эти эффекты ощущаются, когда популяции хищников сокращаются, а популяции травоядных больше не ограничены, что приводит к интенсивному поиску пищи травоядными, что может подавлять растительные сообщества. [70] Поскольку размер травоядных влияет на количество необходимой энергии, более крупным травоядным необходимо питаться более качественными или большим количеством растений, чтобы получить оптимальное количество питательных веществ и энергии по сравнению с более мелкими травоядными. [71] Ухудшение окружающей среды из-за белохвостого оленя ( Odocoileus virginianus ) только в США может как изменить растительные сообщества [72] из-за чрезмерного поедания, так и ежегодно обходиться на проекты по восстановлению лесов более чем в 750 миллионов долларов. Другим примером трофического каскада, связанного с взаимодействием растений и травоядных, являются экосистемы коралловых рифов . Травоядные рыбы и морские животные являются важными поедателями водорослей и морских водорослей, а при отсутствии растительноядных рыб кораллы оказываются вытесненными, а морские водоросли лишают кораллы солнечного света. [73]
Ущерб сельскохозяйственным культурам от одного и того же вида составляет около 100 миллионов долларов в год. Ущерб, наносимый урожаю насекомыми, также вносит значительный вклад в ежегодные потери урожая в США [74] Травоядные животные также влияют на экономику через доходы, получаемые от охоты и экотуризма. Например, охота на травоядных животных, таких как белохвостый олень, кролик-кролик, антилопа и лось в США, вносит значительный вклад в охотничью промышленность, оборот которой составляет миллиард долларов в год. [ необходима цитата ] Экотуризм является основным источником дохода, особенно в Африке, где многие крупные млекопитающие травоядные, такие как слоны, зебры и жирафы, помогают ежегодно приносить различным странам эквивалент миллионов долларов США. [ необходима цитата ]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )