Основные законы воздействия экологических факторов на организмы. Лимитирующие факторы

Среда обитания организмов и её факторы

Экология — это наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и с окружающей их средой обитания.

Термин «экология» образован от двух греческих слов (от греч. oikos — «дом», «жилище», «родина», и логос — «наука»), означающих дословно «наука о местообитании», и был предложен в 1866 г. немецким биологом Эрнстом Геккелем.

Среда обитания — всё то, что окружает живое существо в природе.

На Земле существуют четыре основные среды обитания, каждая из которых имеет свои специфические условия жизни:

 

· водная среда;

 

· наземно-воздушная среда;

 

· почвенная среда;

 

 

· среда, образуемая самими живыми организмами.

Экологические факторы — это условия среды (тела и явления), с которыми организм находится в определённых взаимоотношениях.

 

Экологические факторы подразделяются на три группы: абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы — это факторы неживой природы: климатические (солнечный свет, температура, влажность) и местные (рельеф, свойства почвы, солёность, течения, ветер, радиация и т. д.).

Биотические факторы — это всевозможные формы влияния живых организмов друг на друга (например, опыление насекомыми растений, конкуренция, поедание одних организмов другими, паразитизм) и на среду.

 

Антропогенные факторы — это все те формы деятельности человека, которые воздействуют на естественную природную среду, изменяя условия обитания, или непосредственно влияют на живые организмы.

 

Жизненные среды

В пределах биосферы можно выделить четыре основные среды обитания. Это водная среда, наземно-воздушная среда, почва и среда, образуемая самими живыми организмами.

Водная среда

Вода служит средой обитания для многих организмов. Из воды же они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Поэтому, как бы ни были разнообразны водные организмы, все они должны быть приспособлены к главным особенностям жизни в водной среде. Эти особенности определяются физическими и химическими свойствами воды.

 

Гидробионты (обитатели водной среды) обитают как в пресной, так и в солёной воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

· планктон — организмы, живущие на поверхности водоёмов и пассивно передвигающиеся за счёт движения воды;

· нектон — активно передвигающиеся в толще воды;

· бентос — организмы, обитающие на дне водоёмов или зарывающиеся в ил.

В толще воды постоянно парит множество мелких растений и животных, ведущих жизнь во взвешенном состоянии. Способность к парению обеспечивается не только физическими свойствами воды, обладающей выталкивающей силой, но и специальными приспособлениями самих организмов, например многочисленными выростами и придатками, значительно увеличивающими поверхность их тела и, следовательно, повышающими трение об окружающую жидкость.

Плотность тела таких животных, как медузы, очень близка к плотности воды.

Удерживаться в толще воды помогает им к тому же характерная форма тела, напоминающая парашют.

У активных пловцов (рыб, дельфинов, тюленей и др.) веретенообразная форма тела, а конечности — в виде ласт.

Их передвижение в водной среде облегчается, кроме того, благодаря особому строению внешних покровов, выделяющих специальную смазку — слизь, снижающую трение о воду.

Вода обладает очень высокой теплоёмкостью, т. е. свойством накапливать и удерживать тепло. По этой причине в воде не бывает резких колебаний температуры, которые часто случаются на суше. Очень глубокие воды могут быть очень холодными, однако благодаря постоянству температуры у животных смог развиться ряд приспособлений, обеспечивающих жизнь даже в этих условиях.

Животные могут жить на огромных океанских глубинах. Растения же выживают только в верхнем слое воды, куда попадает лучистая энергия, необходимая для фотосинтеза. Этот слой называют фотической зоной.

Так как поверхность воды отражает большую часть света, даже в наиболее прозрачных океанских водах толщина фотической зоны не превышает 100 м. Животные больших глубин питаются либо живыми организмами, либо останками животных и растений, постоянно опускающимися вниз из верхнего слоя.

Подобно наземным организмам водные животные и растения дышат, им требуется кислород. Количество растворённого в воде кислорода снижается с увеличением температуры. Причём в морской воде кислород растворяется хуже, чем в пресной. По этой причине воды открытого моря тропического пояса бедны живыми организмами. И наоборот, полярные воды богаты планктоном — мелкими рачками, которыми кормятся рыбы и крупные китообразные.

Очень важен для жизни солевой состав воды. Особенное значение для организмов имеют ионы Ca2+. Моллюскам и ракообразным кальций необходим для построения раковины или панциря. Концентрация солей в воде может сильно изменяться. Вода считается пресной, если в одном её литре содержится менее 0,5 г растворённых солей. Морская вода отличается постоянством солёности и содержит в среднем 35 г солей в одном литре.

 

Наземно-воздушная среда

Наземно-воздушная среда, освоенная в ходе эволюции позже водной, более сложна и разнообразна, и её населяют более высокоорганизованные живые организмы.

Наиболее важным фактором жизни обитающих здесь организмов являются свойства и состав окружающих их воздушных масс. Плотность воздуха гораздо ниже плотности воды, поэтому у наземных организмов сильно развиты опорные ткани — внутренний и наружный скелет. Формы движения очень разнообразны: бегание, прыгание, ползание, полёт и др. В воздухе летают птицы и некоторые виды насекомых. Потоки воздуха разносят семена растений, споры, микроорганизмы.

Воздушные массы постоянно находятся в движении. Температура воздуха может меняться очень быстро и на больших пространствах, поэтому живущие на суше организмы имеют многочисленные приспособления, позволяющие выдерживать резкие перепады температуры или избегать их.

 

Наиболее замечательным из них является развитие теплокровности, возникшее именно в наземно-воздушной среде.
Большое значение для жизни растений и животных имеет химический состав воздуха (78 % азота, 21 % кислорода и 0,03 % диоксида углерода). Диоксид углерода, например, является важнейшим сырьевым источником для фотосинтеза. Азот воздуха необходим для синтеза белков и нуклеиновых кислот.

Количество водяных паров в воздухе (относительная влажность) определяет интенсивность процессов транспирации у растений и испарения с кожи некоторых животных. Организмы, живущие в условиях низкой влажности, имеют многочисленные приспособления, предотвращающие сильные потери воды. Так, например, у пустынных растений мощная корневая система, способная насасывать в растение воду с большой глубины. Кактусы запасают воду в тканях и экономно её расходуют. У многих растений для уменьшения испарения листовые пластинки превращены в колючки. Многие пустынные животные в самый жаркий период впадают в спячку, которая может длиться несколько месяцев.

 

 

Почва

Почва — это верхний слой суши, преобразованной в результате жизнедеятельности живых существ. Это важный и очень сложный компонент биосферы, тесно связанный с другими её частями. Жизнь почвы необычайно богата. Некоторые организмы проводят в почве всю жизнь, другие — часть жизни. Между частицами почвы имеются многочисленные полости, которые могут быть заполнены водой или воздухом. Поэтому почву населяют как водные, так и воздуходышащие организмы. Огромную роль играет почва в жизни растений.

Условия жизни в почве во многом определяются климатическими факторами, важнейшим из которых является температура. Однако по мере погружения в почву колебания температуры становятся всё менее заметными: быстро затухают суточные, а по мере увеличения глубины — и сезонные изменения температур.

Даже на небольшой глубине в почве царит полная темнота. Кроме того, по мере погружения в почву падает содержание кислорода и растёт содержание углекислого газа. Поэтому на значительной глубине могут обитать лишь анаэробные бактерии, в то время как в верхних слоях почвы помимо бактерий в изобилии встречаются грибы, простейшие, круглые черви, членистоногие и даже относительно крупные животные, прокладывающие ходы и строящие убежища, например кроты, землеройки, слепыши.

Среда, образуемая самими живыми организмами

Тела многих организмов служат жизненной средой для других организмов. Это относится не только к паразитизму, но и к некоторым другим формам взаимоотношений между организмами, о чём более подробно будет сказано в следующих разделах.

Очевидно, что условия жизни внутри другого организма характеризуются большим постоянством по сравнению с условиями внешней среды.

Поэтому организмы, находящие себе место в теле растений или животных, часто полностью утрачивают органы и системы, необходимые свободноживущим видам. У них не развиты органы чувств или органы движения, зато возникают приспособления (часто весьма изощрённые) для удержания в теле хозяина и эффективного размножения.

 

Основные законы воздействия экологических факторов на организмы. Лимитирующие факторы

Немецкий учёный Юстут Либих установил, что продуктивность культурных растений в первую очередь зависит от того питательного вещества или минерального элемента, который представлен в почве в наименьшем количестве.

Закон минимума Либиха (или Закон лимитирующих факторов):

успешную жизнедеятельность организма ограничивает экологический фактор, количество и качество которого близки к минимуму, необходимому организму.

Образное представление закона минимума — так называемая «бочка Либиха».

 

 

Суть модели состоит в том, что вода при наполнении бочки начинает переливаться через наименьшую доску в бочке, и длина остальных досок уже не имеет значения.

Пример:

если фосфора в почве лишь 20 % от необходимой нормы, а кальция — 50 % от нормы, то растение будет развиваться только до тех пор, пока не усвоит весь фосфор. Ограничивающим дальнейший рост фактором будет недостаток фосфора. Для увеличения продуктивности необходимо в первую очередь внести в почву именно фосфорсодержащее удобрение.

Но известно, что избыток какого-либо экологического фактора может быть так же вреден, как и его недостаток, т. е. всё хорошо в меру.

Факторы, сдерживающие развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностями, называются лимитирующими.

Закон толерантности Шелфорда:

лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма, может быть как минимум, так и максимум воздействия экологического фактора.

Толерантность (от лат. tolerantia — «терпение») — способность организмов выдерживать изменения условий жизни (например, колебания температуры, влажности, света). Это очень важное свойство живого, позволяющее приспособляться к изменяющимся условиям. Разные организмы обладают разной толерантностью.

 

Обрати внимание!

Организм может погибнуть как от слишком низкой, так и слишком высокой температуры.

Закон оптимума:

любой экологический фактор имеет определённые пределы положительного влияния на живые организмы.

Графически закон оптимума выражается симметричной куполообразной кривой (кривая толерантности), показывающей, как изменяется жизнедеятельность вида при постепенном увеличении воздействия фактора.

 

 

Пределами выносливости (экологической валентностью) называют минимальное и максимальное значения фактора, при которых возможна жизнедеятельность. Границы, за пределами которых наступает гибель организмов, являются нижними и верхними границами выносливости вида. Их называют критическими точками.

Пример:

животные и растения плохо переносят сильную жару и сильные морозы; оптимальными являются средние температуры. Точно так же и засуха, и постоянные проливные дожди одинаково неблагоприятны для урожая.

Положение вершины кривой указывает на оптимальные (наилучшие) условия по этому фактору для особей данного вида.

Для особей некоторых видов характерны кривые с очень острыми пиками.

Это означает, что диапазон условий, при которых особи данного вида могут нормально существовать, очень узок.

Пологие кривые соответствуют широкому диапазону толерантности.

Организмы с широкими границами устойчивости, конечно, имеют шансы на более широкое распространение.

Однако широкие границы по одному фактору вовсе не означают широких границ по всем факторам.

Закон относительной независимости приспособления организмов:

степень выносливости к какому-нибудь фактору не означает соответствующей экологической валентности вида по отношению к остальным факторам.

Виды, переносящие широкие изменения температуры, совсем не обязательно должны также быть приспособлены к широким колебаниям влажности или солевого режима.

Пример:

многие земноводные могут выдерживать значительные колебания температуры, но не переносят даже кратковременного высыхания кожи.

Закон совместного действия факторов:

результат влияния любого экологического фактора зависит в первую очередь от того, в какой комбинации и с какой силой действуют другие факторы.

Переносить мороз в безветренную погоду значительно легче, чем при сильном ветре. Жару организм переносит значительно хуже при высокой влажности.

Закон незаменимости фактора:

нельзя полностью заменить один фактор другим.

Пример:

свет, необходимый растениям для фотосинтеза, не может быть заменён избытком тепла или углекислого газа.