Взаимодействие организма и среды

1. Классификация экологических факторов;

2. Формы воздействия экологических факторов и их компенсация.

3. Концепция лимитирующих факторов Правило Либиха, закон Шелфорда..

Литератур

1. Горелов А.А. Экология: Учеб. Пособие.М., 2001.

2.Радкевич В.А.Экология. Мн., 1997.

3.Реймерс Н.Ф. Экология. М., 1994.

4.Чернова И.М. Экология: Учеб. Пособие /И.М, Чернова, А.М. Былова. М., 1998.

1. Среда обитания организма – совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Известно три среды обитания: водная, наземно – воздушная и почвенная. Среда организмов воспринимается через экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они могут быть природными и антропогенными. Природные факторы делят на абиотические и биотические.

Абиотические факторы – это совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение организмов. Их делят на физические, химические и эдафические

Физические факторы — это те, источник которых — фи­зическое состояние или явление (механическое, температурное воздействие и др.), химические происходят от химического со­става среды (соленость воды, содержание кислорода и др.), эда- фические (почвенные) — это совокупность химических, физи­ческих и механических свойств почв и горных пород, оказыва­ющие воздействие как на организмы почвенной биоты, так и на корневую систему растений (влияние влажности, структуры почв, содержания гумуса и т. п. на рост и развитие растений).

Биотические факторы — совокупность влияний жизнеде­ятельности одних организмов на жизнедеятельность других (внутривидовые и межвидовые взаимодействия), а также на неживую среду обитания. Внутривидовые взаимодействия меж­ду особями складываются в результате конкурентной борьбы в условиях роста численности и плотности популяций за места своих гнездовий, за пищевые ресурсы. Межвидовые взаимо­действия значительно более разнообразны: нейтрализм (оба вида не оказывают никакого воздействия друг на друга), конку­ренция (оба вида оказывают друг на друга неблагоприятное воз­действие), мутуализм (оба вида не могут существовать друг без друга), паразитизм (паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель), хищничество (хищный вид питается своей жертвой) и другие взаимодействия. Межвидовые взаимоотношения лежат в ос­нове существования биотических сообществ.

Биотические факторы способны влиять на абиотическую среду, создавая микроклимат или микросреду: например, в лесу летом прохладнее и влажнее, а зимой — теплее. Но микросре­да может иметь и абиотическую природу: под снегом, в ре­зультате его отепляющего действия, выживают мелкие живот­ные (грызуны), сохраняются всходы озимых злаков и др.

Антропогенные факторы — факторы, порожденные чело­веком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, вырубка лесов и т.д.)

Факторы, изменение которых во времени повторяется ре­гулярно, называют периодическими (климатические, приливы и отливы, некоторые океанские течения), а те, которые возни­кают неожиданно, — непериодическими (нападение хищника, извержение вулкана и т. д.)

2. Основные представления об адаптациях организма

Адаптация(лат. — приспособление) — приспособление организмов к среде. Она развивается под воздействием трех основных факторов — изменчивости, наследственности и ес­тественного (равно как и искусственного) отбора. Основные адаптации наследственно обусловлены1. На своем историко-эвлюционном пути организмы адаптировались к периодическим факторам, как к первичным, так и к вторичным.

Первичные факторы — это те, которые существовали до появления жизни: температура, освещенность, приливы и от­ливы и др. К этим факторам адаптация наиболее совершенна.

Вторичные факторы — это следствие изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений и др. В нормальных условиях в местообитании должны присутствовать только периодические факторы, а непериодические — должны отсутствовать.

Непериодические факторы воздействуют катастрофически, вызывая болезни или даже смерть живых организмов. Чело­век, чтобы уничтожить вредные для него организмы, напри­мер, насекомых, вводит непериодические факторы — химичес­кую отраву. Но источником адаптации являются мутации ге­нов, которые могут произойти и под воздействием искусствен­ных факторов. Это приводит, например, к приспособлению тех же насекомых даже к отравляющим веществам, которые на них перестают действовать.

3. Лимитирующие факторы

Лимитирующими (ограничивающими) экологическими факторами с ледует называть такие факторы, которые ограни­чивают развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием).

В середине XIX в. Ю. Либихом был установлен закон ми­нимума: урожай зависит от фактора, находящегося в мини­муме. Например, если фосфор содержится в почве лишь в ми­нимальных количествах, то это снижает урожай. Но оказалось, что если это же вещество находится в избытке, это также сни­жает урожай. Более того, факторы могут действовать изолиро­ванно или совокупно — ведь урожай зависит и от влажности, и от других факторов жизни растений. Тем не менее факторы не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В.Р. Вильямса: условия жизни рав­нозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменен другим. Например, нельзя заменить действие влажности дей­ствием углекислого газа или солнечного света и т. п.

Всю сложность взаимоотношения экологических факторов

отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в ка­чественном или количественном смысле) или, наоборот, из­бытком любого из ряда факторов, уровень которых может ока­заться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности.

Например, организм способен существовать при темпера­туре от минус 5°С до плюс 25°С. Это и будет диапазоном то­лерантности организма по отношению к температуре. Если этот диапазон небольшой, то организм называют стенотермныш («стено» — узкий), если он достаточно широкий, то его называ­ют эвритермныш («эври» — широкий). Подобно температуре действуют и другие факторы, например, соленость воды и т.п., а организмы по отношению к характеру их воздействия назы­вают, соответственно, стенобионтами или эврибионтами. Например, говорят: организм стенобионтен по отношению к солености, влажности, или эврибионтен по отношению к кли­матическим факторам. Эврибионтные организмы наиболее широко распространены на Земле.

4. Значение физических и химических факторов среды в жиз­ни организма

Температура— важнейший из ограничивающих факторов. Пределами толерантности для любого вида являются макси- мольная и минимальная летальны1е температуры1, за преде­лами которой вид смертельно поражают жара или холод. Все живые существа способны жить при температуре между 0 и 50°С, что обусловлено свойствами протоплазмы клеток, но раз­личные приспособительные механизмы, выработанные эволю­цией, значительно расширяют эти возможности как в сторону высоких, так и низких температур. Поэтому интервал выжива­ния, особенно популяции в целом, может быть и значительно шире указанного, между так называемыми нижней и верхней «границами стойкости» (по М. Ламотту), В этом интервале можно выделить «оптимальный интервал», в котором организ­мы чувствуют себя комфортно и численность популяции рас­тет, а за его пределами они оказываются сначала в условиях «пониженной жизнедеятельности», где организм чувствуют себя угнетенно, а затем погибают либо от холода (за нижней грани­цей стойкости), либо от жары (за верхней границей стойкости).

Этот пример влияния температуры на организмы иллюст­рирует общий закон биологической стойкости (по М. Ламот- ту), применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. величину его толерант­ности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Все животные подразделяются на пойкилотермных, т. е. температура их собственного тела меняется с изменением тем­пературы окружающей среды, и гомойотермных, т. е. имею­щих постоянную температуру тела, не зависящую от внешней среды. В животном мире резко преобладают первые: земно­водные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Значительно мень­ше гомойотермных животных: млекопитающие (в том числе человек) и птицы. Что касается наземных растений, то темпе­ратура в их жизни имеет не меньшее значение: они погибают уже при температуре, близкой к 50°С, а при температурах ниже 0° часть растений выживает благодаря специальным приспо­соблениям.

Известны морфологические приспособления растений и животных к низким температурам, так называемые жизнен­ные формы1 растений и животных. Растения приспосабливают­ся таким образом, чтобы уберечь свои почки от мороза под сне­гом, в почве и т. п. (по Раункеру), а животные увеличивают массу тела, запасая на зиму вещества, поэтому даже животные одного вида на севере крупнее, чем на юге (правило Бергмана).

У животных большее значение имеют физиологические адаптации, простейшая из которых — акклиматизация — фи­зиологическое приспособление к перенесению жары или холо­да. Более радикальным способом защиты от холода является миграция в теплые края, зимовка — впадение зимой в спячку. Большинство животных зимой находится в неактивном состо­янии, а насекомые — вообще останавливаются в своем разви­тии, наступает период диапаузы1.

Свет — это первичный источник энергии, без которого не­возможна жизнь на Земле. Важнейшая его энергетическая фун­кция — участие в фотосинтезе. Однако свет не только энерге­тический ресурс, но и важнейший экологический фактор.

Важное значение для растений имеет интенсивность осве­щения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые (не выносят тени), тенелюбивы1е (не выносят яркого солнечного света) и теневышосливые (имеют широкий диапазон толерантности к свету).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регу- ляторные адаптации организмов. Самый надежный сигнал — длина дня, т. е. фотопериод. Фотопериодизм — это реакция организма на сезонные изменения длины дня, всегда одинако­вой в данном месте, в данное время, что позволяет всем орга­низмам определиться со временем цветения, созревания и т. п. на данной широте. Развитие природы, благодаря фотоперио­дизму, происходит в соответствии с биоклиматическим зако­ном Хопкинса: сроки наступления различных природных явле­ний (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее вы­соты над уровнем моря.

У человека и животных внешние суточные ритмы перехо­дят во врожденные свойства вида и становятся их внутренними ритмами, отличаясь обычно от 24 часов на 15—20 минут, по­этому их называют циркадными (в переводе — близкие к сут­кам). Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и такую его способность называют «биологическими часами».

Вода — входит в состав клеток организмов, выступает как абиотический экологический фактор, влияет на другие факто­ры при совокупном воздействии на организм, и, наконец, яв­ляется средой обитания для многих животных и растений. Вода является лимитирующим фактором как в наземных, так и в водных местообитаниях.

В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор ха­рактеризуется:

количеством атмосферных осадков, но для организмов важнее равномерность их распределения по сезонам года, ко­торое в умеренных широтах может привести к засухе или пере­увлажнению, в тропиках — к чередованию влажных и сухих сезонов;

влажностью воздушной среды1, которая способна изменять эффекты температуры: понижение влажности ниже некоторо­го предела при данной температуре ведет к иссушающему дей­ствию воздуха;

иссушающее действие воздуха приводит к иссушению по­чвы, что затрудняет всасывание воды корневой системой рас­тений. Адаптация растений — увеличение всасывающей силы и глубины корневой системы;

транспирацией — испарением воды растениями через лис­тья, на что уходит 97—99% воды. Эффективность транспира- ции оценивается отношением прироста вещества к количеству транспирированной воды (в граммах сухого вещества на 1000 см³ воды), которая для большинства растений равна двум.

По способу адаптации растений к влажности выделяют не­сколько экологических групп: гигрофиты; мезофиты (древес­ные, травянистые и другие растения); ксерофиты (суккулен­ты: алоэ, кактусы) и др.

У животных по отношению к воде также выделяются свои экологические группы1: гигрофилы (влаголюбивые) и ксерофи- лы (сухолюбивые), промежуточная группа — мезофилы. Спо­собы регуляции водного баланса поведенческие (посещение во­допоя, переход на ночной образ жизни), морфологические (ра­ковины наземных улиток), физиологические (образование ме­таболической воды: собаки и др.).

В водной среде обитания — в реках, морях, океанах — прак­тически постоянно действуют такие экологические факторы, как течения и волнения, или косвенно, изменяя ионный состав и минерализацию воды, или оказывая прямое действие, вызы­вая адаптации их к течениям: рыбы в реках изменяют свою форму, растения прикрепляются к субстрату и т. п. Поскольку вода достаточно плотная среда, оказывающая ощутимое сопро­тивление животным при движении, они приобретают обтекае­мые формы тела (дельфин).

Воздушная среда имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоян­но живущих организмов — все они связаны с землей, а воз­душную среду используют только для перемещения или (и) для поиска добычи. Воздушная среда оказывает на организмы фи­зическое и химическое воздействие.

Физические факторы воздушной среды: движение воздуш­ных масс и атмосферное давление. Движение воздушныьх масс конвективное и ветровое обеспечивают расселение семян, спор и пыльцы растений. Атмосферное давление оказывает суще­ственное влияние на жизнь позвоночных животных — они не могут жить выше 6000 м над уровнем моря.

Химические факторы воздушной среды обусловлены од­нородным в качественном и количественном отношении соста­вом атмосферы: в наземных условиях содержание кислорода находится в максимуме, а углекислого газа — в минимуме то­лерантности растений, в почве — наоборот — кислород стано­вится лимитирующим фактором для аэробов — редуцентов, что замедляет разложение органики. В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором.

Ø органических веществ, свойства грунта, поглощение света, насыщенность кислородом): здесь возникла жизнь. Отличительные особенности: высокая плотность (~1,354г/см²), большие перепады давления (1атм на 10м глубины), невысокая интенсивность солнечного излучения вблизи поверхности и его отсутствие на глубине, жёсткий (сравнительно стабильнее) температурный режим, пониженное содержание кислорода (~1%).

Ø Наземно-воздушная (элементы-факторы – температура воздуха, содержание кислорода, влажность, погода, интенсивность света, характер рельефа): более сложная, требует более высокой «организации», освоена позже. Отличительные особенности: невысокая плотность, высокое содержание кислорода, небольшое содержание воды и пара, определённый химический состав воздуха, интенсивное солнечное излучение, большие перепады температур.

Ø Почвенная (элементы-факторы – структура, хим. состав, влажность): среда обитания для множества микро- и макроорганизмов эдафобионтов или геобионтов и корней растений. Отличительные особенности: плотная среда с большим сопротивлением движению.

Ø Сам организм (элементы-факторы – обилие пищи, относительная стабильность условий, защищённость от неблагоприятных внешних факторов, активное сопротивление организма хозяина): среда обитания для паразитов, симбионтов – организмов примитивных, вторично упрощённого строения. Отличительные особенности: ограниченность жизненного пространства, сложность снабжения кислородом, трудности с расселением, защитные реакции хозяина.

Адаптации – специфические приспособления организма к обитанию в определённой среде, выработанные в ходе эволюции и выражающиеся в изменении внешнего и внутреннего строения, физиологических функций, поведения.

Элементы среды – безразличные компоненты, формирующие окружение вокруг организма, но на сам организм никак не влияющие.

Экологические факторы – все те свойства среды, которые оказывают какое-либо воздействие на организмы.

Постоянная изменчивость отличает экологические факторы от элементов среды. Некоторые факторы могут в зависимости от обстоятельств играть роль либо средообразующих, либо экологических (например: вода).

Ø Абиотические – факторы неживой природы: а) климатические, б) почвенно-грунтовые, в) геоморфологические, г) гидрологические, д) другие.

Ø Биотические – факторы живой природы, т.е. воздействие живых существ друг на друга и на среду.

Ø Антропогенные – факторы влияния человеческой деятельности как на среду, так и на сами организмы.

Различают факторы постоянные (радиация, рельеф, солевой состав океана, состав литосферы) и изменчивые, которые тоже делятся на: а) регулярно-периодические, б) нерегулярные. в) направленные.

По характеру действия факторы могут влиять как: а) раздражители (вызывают изменение функций организма), б) ограничители (делают невозможным существование), в) модификаторы (вызывают изменение строения организма), г) предупреждающие сигналы (говорят о приближающихся изменениях других факторов).

В характере воздействия факторов на организмы и в ответных реакциях можно выделить ряд закономерностей:

Ø Закон оптимума: Диапазон наиболее благоприятного воздействия фактора на жизнедеятельность определённого организма или вида называется зоной оптимума или экологического комфорта (зона выживания популяции). Зона пессимума – это условия, при которых жизнедеятельность организма максимально угнетена, но он ещё может существовать (зона адаптации, зона выживания особи). Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых происходит гибель организмов.

Ø Закон экологической валентности или толерантности В.Шелфорда: «Верхние» и «нижние» критические пределы переносимости организмами того или иного фактора называются пределами толерантности. Диапазон между критическими точками называется экологической валентностью, толерантностью, областью экологической нормы реакции данного вида организмов по отношению к данному фактору среды, и определяется способностью организма выдерживать изменения этого фактора. Эврибионтные – виды, которые имеют широкие границы устойчивости и способны существовать в условиях широкого диапазона действия фактора, что определяет их широкое распространение и хорошую приживаемость в разных местах. Стенобионты – виды, способные жить в условиях лишь мало меняющегося действия фактора, что определяет узость их ареала обитания и, следовательно, высокую уязвимость. (эвритермные – стенотермные, эврибатные – стенобатные и т.п.) У каждой особи своя специфичная совокупность черт и свойств наследственных и приобретённых, которая хоть немного, но отличает её от других особей этого же вида. Это называется экологической индивидуальностью особи в пределах, характерных для всего вида.

Ø Правило независимости. К каждому из факторов адаптация вида происходит независимо. Набор экологических валентностей к разным факторам среды создаёт экологический спектр вида.

Ø Правило взаимодействия факторов. Действие одного фактора не замещается действием другого, но оптимальная зона и пределы выносливости организмов могут смещаться в зависимости от того, с какой силой действуют в это же время другие факторы.

Ø Закон минимума Либиха: жизнедеятельность организма определяется фактором, находящимся в минимуме.

Ø Правило лимитирующих факторов .Лимитирующим, т.е. ограничивающим, фактором называется тот, уровень которого в качественном и количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма. Именно эти факторы определяют распространение видов на Земле. Не все факторы не везде и не всегда имеют одинаковое экологическое значение. Оно может меняться и в пространстве, и во времени в зависимости от обстоятельств.

Выносливость – способность живой системы переносить длительные возмущения, подстраивая под них свой «внутренний баланс», но конечно до определённого предела.

Устойчивость, резистентность – способность живых систем противостоять негативным воздействиям и возвращаться к исходному или близкому к исходному состоянию при возвращении благоприятных условий.

Гомеостаз – постоянство свойств и функций живых систем, обеспечиваемое внутренними регуляторными механизмами даже при изменениях факторов среды.