Основы аутэкологии

Лекция 2

ТЕМА: Основы аутэкологии

ПЛАН:

1. Понятие среды обитания

2. Понятие экологического фактора

2.1. Классификация экологических факторов

2.2. Влияние абиотических факторов на живые организмы

2.3. Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним живых организмов

2.4. Биотические факторы

2.5. Антропогенные факторы

1. Понятие среды обитания

Современное распространение организмов определяется в первую очередь условиями среды, в которой они обитают.

Среда обитания – это часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. К окружающей среде относится вся природная среда и техногенная среда (т. е. созданная человеком).

Окружающая среда – это все, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его состояние и функции (развитие, рост, выживаемость, размножение и т. д.). Среда, обеспечивающая возможность жизни организмов на земле, очень разнообразна. На нашей планете можно выделить четыре качественно отличительные среды жизни: водную, наземно-воздушную, почву и живой организм.

Элементы среды, воздействующие на живой организм, называются экологическими факторами.

2. Понятие экологического фактора

Экологический фактор – это любой элемент среды, способный оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития.

Свойства экологических факторов

·  нерасчленяемость на более простые элементы среды (t, освещенность, давление, соленость действуют одновременно);

·  опосредованное действие (действие через разные причинно-следственные связи).

2.1. Классификация экологических факторов

Традиционно выделяют абиотические, биотические и

антропогенные факторы. Они имеют разную природу и специфику действия.

Абиотические факторы – это комплекс условий окружающей среды, влияющих на живой организм (температура, свет, радиоактивность, давление, влажность, рН среды, ветер, рельеф местности и т. п.).

Биотические факторы – это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие (конкуренция, хищничество, паразитизм и др.).

Антропогенные факторы – это совокупность влияний деятельности человека на окружающую среду (выбросы вредных веществ в атмосферу, разрушение почвенного слоя, нарушения природных ландшафтов) и др.

Конечно, данная классическая классификация условна, поэтому могут существовать и другие, например, по степени адаптивности реакции организмов.

2.2. Влияние абиотических факторов на живые организмы

Общая характеристика действия экологических факторов

Любой организм должен быть определенным образом приспособлен к воздействию специфических экологических факторов. Разнообразные приспособления организмов называются адаптации. Благодаря разнообразию адаптаций возможно распределение выживаемости организмов в зависимости от интенсивности действия экологического фактора.

Значения экологического фактора, которые наиболее благоприятны для данного вида, называются оптимальными, или просто экологическим оптимумом. Те же значения фактора, которые неблагоприятны для данного вида, называются пессимальными, или просто экологическим пессимумом. Существует закон экологического оптимума, согласно которому выживаемость организмов достигает максимума при значениях данного экологического фактора, близких к его среднему значению.

В большинстве случаев зависимость выживаемости от действия одного фактора описывается уравнениями нормального распределения, которым соответствуют кривые нормального распределения.

В качестве примера рассмотрим зависимость плотности (выживаемости) некоторой популяции растений от кислотности почвы.

Видно, что популяции данного вида растений достигают максимальной плотности при значениях рН, близких к 6,5 (слабокислые почвы). Значения рН приблизительно от 5,5 до 7,5 образуют для данного вида зону экологического оптимума, или зону нормальной жизнедеятельности. При уменьшении или повышении рН плотность популяции постепенно уменьшается. Значения рН меньше 5,5 и больше 7,5 образуют две зоны экологического пессимума, или зоны угнетения. Значения рН меньше 3,5 и больше 9,5 образуют зоны гибели, в которых организмы данного вида существовать не могут.

Различают аутэкологический оптимум и синэкологический оптимум. Аутэкологический оптимум – это оптимум для данного вида организмов без учета его взаимодействия с другими видами (обычно игнорируется конкуренция). Синэкологический оптимум – это оптимум для данного вида организмов с учетом межвидовых взаимодействий в данном сообществе (обычно учитывается конкуренция).

Пределы изменчивости значения экологического фактора, в которых возможно существование данного вида, называются экологической валентностью. Организмы, которые характеризуются широкой экологической валентностью, называются эврибионты. Иначе, эврибионты – это организмы, способные существовать при различных значениях данного экологического фактора. Однако большинство организмов является стенобионтами. Стенобионты – это организмы, которые способны существовать в сравнительно узком интервале значений фактора. По различиям в экологической валентности по отношению к различным факторам среды выделяют различные группы организмов, например:

Экологические факторы среды могут оказывать на живые

организмы воздействия разного рода:

а) как раздражители, вызывающие приспособительные изменения;

б) как ограничители, невозможность существования в данных условиях;

в) как модификаторы изменения анатомии и морфологии организма;

г) как сигнал, т. е. изменение других факторов среды.

Несмотря на такое разнообразие, действие экологических факторов на организм в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей:

а) экологическая пластичность (или экологическая валентность) - свойство организмов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды;

б) закон ограничивающего фактора (Ю. Либих) или закон минимума. Если все условия оказываются благоприятными, за исключением одного, которое приобретает решающее значение для жизни (недостаток или избыточность), он называется законом ограничивающего фактора;

в) закон толерантности (В. Шелфорд) - диапазон выносливости действия экологических факторов;

г) законы оптимума (благоприятные воздействия выживаемости) минимума и максимума – переносимые значения фактора – это критические точки, ограничивающие степень выносимости для выживания.

2.3. Важнейшие абиотические факторы и адаптация к ним живых организмов

Среди абиотических факторов, действующих на живые организмы, важнейшими являются:

·  климатические (свет, температура, влажность и их производные), имеющие универсальное значение;

·  почвенные, важные для обитающих в почве организмов;

·  факторы водной среды, играющие решающую роль в жизни водных обитателей;

·  факторы рельефа (орографические).

Климатические факторы

К их числу можно отнести: количество света, падающего на землю, температура и влажность окружающей среды, фотопериодичность, ветровой режим, давление воздуха, газовый состав атмосферы.

Рассмотрим более подробно только два первых параметра – свет и температура.

Свет. Всем живым организмам для существования необходима энергия, поступающая извне. Ее основной источник - энергия солнечного излучения. Свет – это электромагнитное излучение.

В жизни растении свет играет большую роль, т. к. нужен для образования хлорофилла, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, влияет на газообмен и транспирацию (испарение воды листьями растений). Хлорофиллоносные растения и некоторые бактерии являются единственными организмами, способными синтезировать органическое вещество из воды, минеральных солей и углекислого газа при помощи лучистой энергии, которую они превращают в химическую..

По отношению к свету как экологическому фактору, растения можно разделить:

а) светолюбивые (гелиофиты) растения – обитают на открытых местностях с хорошим и полным солнечным освещением, они с трудом переносят даже незначительное затемнение.

Типичными представителями являются растения открытых местообитаний; пшеница, сосна, и др. Цветы таких светолюбивых растений, как подсолнечник, череда поворачиваются за солнцем.

б) тенелюбивые (сциофиты) растения произрастают только в затененных местах, – не выносят сильного освещения и живут под пологом леса в постоянной тени (это в основном лесные травы, папоротники, мхи). На вырубках при сильном освещении они часто погибают.

в) теневыносимые (гелиофиты) растения, которые характеризуются широкой экологической амплитудой по отношению к световому фактору. Сюда можно отнести ряд древесных пород, большинство видов кустарников и травянистых растений лесной зоны; ель, клен, калина.

В жизни животных свет играет важную роль и является необходимым условием ориентации в пространстве. Уже у простейших это светочувствительные органеллы, у кишечно-полостных это светочувствительные органы – глаза, имеющие то или иное строение.

Среди высших животных различают дневные, ночные и сумеречные виды.

Свет имеет для животных в основном информационное значение, помогает ориентироваться не только в окружающем пространстве, но и во времени, а также служит сигналом о предстоящих сезонных изменениях среды.

Температура. Одним из наиболее важных факторов окружающей среды является температура, от которого зависит температура организмов и, следовательно, жизнь организмов. Границы жизни – это температура в среднем от 0° до 50° С. Однако, целый ряд организмов приспособлен к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы:

а) криофилы – они могут сохранять активность при температуре до - 10° С. Организмы, обитающие в условиях низких температур: тундре, высокогорьях, холодных морях и т. д.;

б) термофилы – они приурочены к области высоких температур. Это микроорганизмы, встречающиеся в горячих источниках.

Существенную экологическую проблему для организмов представляет нестабильность, изменчивость температур окружающей среды. В ходе эволюции у живых организмов вырабатывались разнообразные приспособления, позволяющие регулировать обмен веществ при изменениях температуры среды. Это достигается двумя путями: различными биохимическими перестройками и поддержанием температуры тела на более стабильном уровне, чем температура окружающей среды.

Биохимические перестройки, по-видимому, сложны и опасны для организмов.

Способность организмов сохранять температуру тела постоянной при изменении внешних условий называется т е р м о р е г у л я ц и е й.

У групп высокоорганизованных животных (млекопитающие, птицы) на основе выработки собственного тепла тела развилась способность поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры окружающей среды их называют:

а) гомойотермными организмами – они всегда функционируют только в узком диапазоне температур.

Работа механизмов терморегуляции требует больших энергозатрат, что требует усиленного питания и постоянной активности.

Другие группы организмов, не имеющих приспособлений, позволяющих удерживать образующее тепло, называют: -

б) пойкилотермными организмами – они функционируют в широком диапазоне температур. К ним можно отнести все микроорганизмы, растения и беспозвоночных животных.

Температурный фактор имеет важное значение в распределении живых организмов на земле, обусловливая заселенность ими разных природных зон.

Почвенные факторы. Почва как абиотический фактор определяется физико-химическими свойствами – кислотностью, содержанием солей и питательных веществ, механическим составом, степенью аэрации и др.

Кислотность почвы выражается концентрацией водородных ионов (рН). Каждый вид растений и животных существуют при определенной амплитуде рН и имеет свой оптимум этой величины (например, дождевые черви рН=4.4, и т. д.).

Влажность почвы зависит от режима дождей и физико-химических характеристик почвы. Фауна почвы, как правило, не переносит слишком большой сухости, однако и слишком высокое содержание воды в почве убивает личинки насекомых.

Почва так же содержит разное количество газообразных компонентов – почвенный воздух.

Воздух в почвенном пахотном слое высотой 25 см обменивается с атмосферой каждый час.

Минеральные вещества, необходимые для питания растений, находятся в почве в виде растворенных в воде ионов. В почве можно обнаружить свыше 40 различных элементов. Содержатся в почве и органические вещества, образующиеся при разложении мертвых растений и животных. С увеличением глубины содержание этих веществ падает.

Механический состав почв определяется соотношением твердых частиц различных размеров. В зависимости от содержания песчаных и глинистых частиц различают виды почв. Механический состав играет большую роль при заселении почв.

Хотя наземные почвенные условия определяются, в основном климатическими факторами, однако существует ряд особенностей:

·  в почве царит полная темнота;

·  с увеличением глубины колебание температуры становится менее значительным;

·  по мере погружения в почву содержание кислорода в ней уменьшается, а углекислого газа – увеличивается.

Факторы водной среды. К факторам водной среды относятся физико-химические свойства воды, которые накладывают глубокий отпечаток на строение и жизнедеятельность населяющих ее организмов.

Большое значение для сохранения и поддержания жизнедеятельности водных организмов имеет значение особое свойство воды: при 4° С лед образуется только на поверхности водоемов, защищая придонный слой воды от замерзания. Высокая теплота плавления льда обеспечивает постепенное замерзание водоемов, а также таяние снега, льда и ледников. Благодаря этому свойству воды на планете сезонные (температурные) переходы происходят плавно. Вода является идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия организмов, что объясняется ее удельной теплоемкостью и наибольшей для жидкостей теплопроводностью.

К числу биологически значимых свойств воды следует отнести высокое поверхностное натяжение, с которым связана значительная сила сцепления ее молекул (капиллярности). Благодаря этому свойству осуществляется передвижение воды и ее растворов по стеблю растения, адсорбционные процессы в корневых системах, системах пищеварения, дыхания и движения.

В экологическом плане вода уникальна и незаменима как источник газообразного кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза. Кислород мало растворим в пресной воде и еще меньше в соленой. С увеличением температуры растворимость кислорода уменьшается, и дыхание организмов в теплых водах становится затруднительным. В морях тропического пояса очень мало птиц, т. к. воды бедны живыми организмами. Наоборот, в полярных водах содержится много кислорода и наблюдается иная картина: масса морских птиц и обилие планктона, которым кормится огромное количество видов животных..

Углекислый газ хорошо растворим в воде, поэтому основным вместилищем СО2 являются океаны. Он необходим водным растениям для осуществления процессов фотосинтеза.

Остальные газы содержатся в воде в небольших количествах.

Вода всегда содержит соли: это хлориды (натрия, магния, калия), сульфаты (магния, кальция), карбонаты (кальция).

Факторы рельефа (орографические факторы). По форме рельефа различают: макрорельефы (горы, низменности, долины), мезорельефы (холмы, овраги), микрорельефы (мелкие углубления, выбросы земли роющих животных).

Макрорельефы влияют на распределение типов растительности в крупных географических масштабах. Примером может служить вертикальная зональность гор.

Элементы мезорельефа влияют на перераспределение зональных экологических факторов, особенно в местностях, где они близки к минимуму. Пример, в умеренной зоне северные склоны мезорельефа заняты лесами, а на южных преобладает степной тип растительности с менее богатым видовым составом.

Микрорельеф проявляет свое экологическое влияние в определенных ситуациях. Происхождение его либо связано с деятельностью растений (кочки), человека (канавы, насыпи), либо имеют зоогенный характер (земляные выбросы роющих животных).

2.4. Биотические факторы

Организмы, живя совместно, вступают друг с другом в различные отношения, их мы называем биотическими факторами. Непосредственно живое окружение организма составляет его биотическую среду. Представители каждого вида способны существовать в таком биотическом окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Основной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения, на базе которых формируются сложные звенья и цепи питания. Кроме пищевых, в сообществах растительных и животных организмов, возникают пространственные связи. Все это является базой формирования биотических комплексов, в которых разнообразные виды объединяются при условии приспособленности к совместному обитанию.

Конкуренция – является в природе наиболее всеохватывающим отношением, при котором две популяции или две особи в борьбе за пищу, место обитания и другие необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно.

Конкуренция может быть межвидовой и внутривидовой. Межвидовая конкуренция имеет место в том случае, когда особи разных видов претендует на одни и те же ресурсы или подвергаются одной той же опасности.

Внутривидовая борьба происходит между особями одного и того же вида.

Так, в случае ограниченных пищевых ресурсов два одинаковых в экологическом отношении и потребностях вида существовать не могут и, рано или поздно, один конкурент вытесняет другого. Острые конкурентные отношения наблюдаются как в животном, так и в растительном мире. Это вид биотических отношений наиболее отчетливо проявляется на популяционном уровне. При росте популяции, когда численность ее особей приближается к насыщению, вступают в действие внутренние физиологические механизмы регуляции: возрастает смертность, снижается плодовитость и т. п. Пространство и пища становится предметом конкуренции. Вступают механизмы и законы конкурентных отношении, которые формируют видовой состав сообщества и регуляцию численности.

Хищничество – форма взаимоотношения организмов, способ добывания пищи и питания животных (изредка растений), при котором они ловят, убивают и съедают других животных.

Хищничество связано с активным поиском и энергичными способами овладевания сопротивляющейся добычи (жертвы). Для этого типа взаимоотношений характерно наличие разнообразных экологических адаптации как у жертвы (окраска, панцири, шипы и т. п.), так и у хищника (развитие органов чувств, быстрота реакции, скорость передвижения и т. п.). Взаимодействие между хищниками и жертвой влияет на их плодовитость и видовой состав, таким образом осуществляется биологическая регуляция популяций.

Паразитизм – взаимоотношения организмов, при которых один вид (паразит) использует другой (хозяина) как среду жизни и как источник жизни.

Паразитизм возник в процессе тесного контакта разных видов организмов на основе пищевых и пространственных связей и встречается на всех уровнях организации живого, начиная с вирусов и бактерии, и кончая высшими растениями и животными. Наиболее широко он распространен среди низших и мелких растений и животных – вирусов, бактерий, грибов, простейших, червей, членистоногих.

Комменсализм – или нахлебничество, форма симбиоза, при которой один из партнеров системы питается (комменсал) остатками пищи или продуктами выделения другого (хозяина), не причиняя последнему вреда. Например, многие птицы (жаворонки, овсянки, воробьи) кормятся на экскрементах копытных, выбирая оттуда непереваренные зерна растений.

Синойкия – или квартирантство – совместное проживание двух организмов разных видов, полезное для одного и безразличное для другого. Например, использование животными или птицами растительного субстрата для постройки жилищ (гнезда птиц, обитание в дуплах, в расщелинах коры и т. п.).

Мутуализм – форма симбиоза, взаимовыгодное сожительство разных видов. Классический пример мутуализма – сожительство рака-отшельника и актинии.

Широко распространенные лишайники – не что иное, как симбиоз между водорослями и грибами.

Зоохория – форма межвидовых взаимоотношений, при которых животные содействуют растениям в распространении семян и плодов.

Аллелопатия – это взаимодействие организмов посредством специфических действующих химических продуктов обмена веществ, которые выделяются во внешнюю среду (аллергии).

2.5. Антропогенные факторы

Нынешний этап человеческой цивилизации отражает такой уровень знаний и возможностей человечества, что его воздействие на окружающую среду, в том числе на биологические системы, приобретает характер глобальной общепланетарной силы, которую выделяем в особую категорию факторов – антропогенные, т. е. порожденными человеческой деятельностью.

Результаты такого воздействия могут быть разными: при разумном подходе к природе он может быть положительным и, наоборот, - при не разумном подходе. Можно выделить несколько наиболее существенных процессов – химический, физический и биологический, - любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы.

Физический фактор как загрязнитель деятельности человека это недопустимый уровень теплового загрязнения (особенно радиоактивного).

Биологическое загрязнение окружающей среды это разнообразные микроорганизмы, наибольшую опасность среди которых представляют различные заболевания.