Лекция 11. Экология. Абиотические факторы

Лекция 11. Экология. Абиотические факторы

Предмет и задачи экологии

Отдельные разделы биологической науки изучают живые организмы на различных уровнях: на молекулярном изучаются строение и функции молекул, на клеточном – строение и функции клеток, органоидов, на организменном – изучаются ткани, органы и системы органов, строение и функции целого организма. Экология изучает взаимоотношения организмов друг с другом и со средой обитания, влияние факторов живой и неживой природы, изучает жизнь на уровнях, более сложных, чем организм: популяционно-видовом, биогеоценотическом и биосферном. Термин экология был предложен в 1866 г. немецким ученым Геккелем (от греческого Oikos дом, жилище, logos – наука).

Отсюда и задачи экологии:

ü  важнейшая задача экологии – изучение влияния на организм различных факторов среды – света, температуры, влажности и других факторов среды;

ü  изучаются взаимоотношения между организмами в популяции, динамика численности, характер изменения полового и возрастного состава, прогнозируется будущее популяции и вида в целом;

ü  на уровне биогеоценозов изучаются трофические уровни природных сообществ, круговорот веществ и движение энергии, механизмы саморегуляции, законы, по которым происходит развитие и смена сообществ;

ü  на биосферном уровне экологи изучают распространение жизни в различных геологических оболочках Земли, влияние живых организмов на неживую природу, функции живого вещества и эволюцию биосферы;

ü  наибольшее практическое значение имеет особый раздел экологии – изучение влияния человека на окружающую среду, на неживую природу и живые организмы. Экология является теоретической базой охраны природы: сохранения атмосферы, почвы, гидросферы, растительного и животного мира. Экологический контроль за предприятиями, водой, атмосферой помогает сохранить здоровье людей и окружающую нас природу, экологическая стратегия при строительстве как промышленных, так и бытовых объектов помогают создать наиболее благоприятные условия для жизни людей.

Экологические факторы

На организм воздействует комплекс элементов окружающей среды обитания, ее отдельные элементы, оказывающие прямое или косвенное воздействие на организм и называются экологическими факторами.

Все экологические факторы делят на абиотические, биотические. Абиотические факторы – факторы неживой природы: свет, температура, влажность, давление и другие. Под биотическими факторами понимают влияние живых организмов на другие организмы и среду обитания. Это и внутривидовые взаимоотношения, и межвидовые – наличие пищи, хищники, паразиты, конкуренты, растения, создающие определенную среду обитания.

К биотическим факторам относятся и антропогенные факторы – результат прямого воздействия человека на организмы (вырубка лесов, охота) или его косвенного влияния (загрязнение атмосферы губительно сказывается на многих растениях).

Для характеристики действия отдельного экологического фактора на организм удобно использовать график, на котором на горизонтальной оси показано изменение интенсивности фактора, а на вертикальной – степень благоприятствования фактора, которая в данном случае измеряется количеством особей (рис. 302).

Видно, что максимальное количество особей предпочитает оптимальную интенсивность фактора, при уменьшении или увеличении его интенсивности особи сначала находятся в зоне нормальной жизнедеятельности, затем в зоне угнетения, и, наконец, при достижении нижнего и верхнего пределов выносливости наступает их гибель.

Рис. 302. Схема действия экологического фактора.

Но на организм действует комплекс факторов, причем, если интенсивность даже одного фактора выходит за пределы выносливости, организм погибает. Такой фактор, значение которого выходит за пределы выносливости Юстус Либих (химик, 1840 г.) назвал лимитирующим, или ограничивающим фактором.

Рис. 303. Бочка Либиха

Для наглядности этот фактор часто сравнивают с самой короткой дощечкой в бочке: именно она определяет уровень, до которого можно наполнить бочку водой (рис. 303).

Живые организмы способны переносить определенные изменения интенсивности каждого абиотического фактора.

Причем одни организмы способны переносить изменения факторов в широких пределах и называются эврибионтными (от греч. eurus – широкий), другие выдерживают колебания интенсивности в очень небольших пределах и называются стенобионтными (от греч. stenos – узкий).

Оптимум и пределы выносливости к одному фактору зависят от интенсивности других факторов, например, сытое животное легче переносит низкие температуры, или при неизменной низкой температуре изменение влажности воздуха изменяет интенсивность теплоотдачи с поверхности кожи.

Абиотические факторы среды

Свет

Основной абиотический фактор, поставляющий энергию для жизнедеятельности фотоавтотрофных организмов и обеспечивающий синтез основной части органического вещества на Земле, поддерживающий определенную температуру на поверхности Земли. Для живых организмов наиболее важен свет ультрафиолетовой части спектра, видимый свет и инфракрасное излучение.

Рис. 304. Спектры поглощения у различных фотосинтетических пигментов. ЖУФ – жесткий ультрафиолет, МУФ – мягкий ультрафиолет)

Жесткий ультрафиолет с длиной волны менее 290 нм губителен для живых клеток, до поверхности Земли не доходит, так как отражается озоновым экраном. Мягкий ультрафиолет с длиной волны от 290 до 380 нм несет много энергии и вызывает образование витамина D в коже человека, он же воспринимается органами зрения многих насекомых. Видимый свет с длиной волны от 380 до 750 нм используется для фотосинтеза фототрофными организмами (растениями, фотосинтезирующими бактериями, сине-зелеными) и животными для ориентации.

Инфракрасная часть солнечного спектра (тепловые лучи) с длиной волны более 750 нм вызывает нагревание предметов, особенно важна эта часть спектра для животных с непостоянной температурой тела – пойкилотермных. Количество энергии, которое несет свет обратно пропорционально длине волны, то есть меньше всего энергии несут инфракрасные лучи (рис. 304).

Растения для фотосинтеза используют, в основном, синие и красные лучи. По отношению к свету их принято делить на светолюбивые (растения степей), теневыносливые (большинство лесообразующих пород) и теневые (мхи, папоротники).

Продолжительность светового дня является важным регулирующим фактором в жизни живых организмов. Сезонные и суточные изменения физиологической активности живых организмов в ответ на изменение продолжительности дня и ночи называют фотопериодизмом.

Длина светового дня, в отличие от других абиотических факторов, для каждой местности изменяется строго закономерно (известно, что самый короткий день 22 декабря, а самый длинный – 22 июня, известна продолжительность любого дня года). В результате естественного отбора выживали организмы, чьи физиологические функции регулировались продолжительностью светового дня. Если продолжительность светового дня искусственно поддерживать более 15 часов, наши листопадные деревья становятся вечнозелеными, а если весной с помощью ширмы устроить им осенний день (меньше 12 часов), их рост прекращается, они сбрасывают листву, и у них наступает состояние зимнего покоя.

Рис. 305. Цветение и рост растений в зависимости от продолжительности дня и ночи.

 

Приспособленность к сезонному изменению продолжительности светового дня привела к появлению длиннодневных и короткодневных растений (рис. 305). Длиннодневные зацветают в начале лета, до осени успевают созреть плоды и семена (наши злаки – рожь, пшеница, овес), короткодневные (астры, георгины, хризантемы) – растения южного происхождения, где продолжительность светового дня около 12 часов, поэтому они у нас зацветают при коротком дне осенью.

У животных во второй половине лета и осенью происходит накопление жировых запасов, осенняя линька, кочующие и перелетные начинают свои сезонные миграции. Осенью у насекомых формируются зимующие стадии, например, бабочка-капустница зимует на стадии куколки, и если гусениц весной содержать при длине дня короче 14 часов, то к середине лета сформируется зимующая куколка, которая будет находиться в состоянии покоя несколько теплых месяцев.

Температура

Важнейший и часто ограничивающий для многих организмов абиотический фактор. Жизнедеятельность большинства организмов ограничена температурным интервалом от 0 до 40ºС, но некоторые организмы живут в горячих гейзерах, температура воды в которых достигает 70ºС, многие способны переносить отрицательные температуры в неактивном состоянии. Для того, чтобы переносить неблагоприятные температуры, у растений и животных выработались различные приспособления:

Теплокровность птиц и млекопитающих снимает влияние небольших колебаний температуры, такие животные, способные поддерживать температуру на определенном уровне получили название гомойотермные. Животные, не способные поддерживать постоянную температуру тела, называются пойкилотермными.

Зимняя спячка у некоторых грызунов, летучих мышей. При этом резко замедляется интенсивность обмена веществ, уменьшается частота дыхательных движений и частота сердечных сокращений, понижается температура тела.

Зимний сон. Осенью животные накапливают большое количество жировых запасов и засыпают на несколько месяцев. При этом не происходит глубокого изменения обмена веществ, животное можно разбудить, например, можно разбудить медведя в берлоге. Такое состояние помогает перенести отсутствие пищи в зимнее время.

Анабиоз. Временное состояние организма, при котором все жизненные процессы замедлены до минимума, отсутствуют все видимые признаки жизни.

Состояние зимнего покоя. Наблюдается у многолетних растений, направлено на перенесение низких температур. Растения накапливают различные «антифризы», чтобы в цитоплазме клеток не образовались кристаллики льда и не разрушили клеточные структуры.

Состояние летнего покоя. Характерно для многих раннецветущих растений (тюльпаны), для свежесобранных семян, клубней, луковиц. Наблюдается и у пустынных животных во время жаркого и сухого периода (у некоторых грызунов, черепах).

Влажность

Важным экологическим фактором является и влажность. Растительные организмы приспособились к сезонному изменению влажности, к жизни в зонах с различным содержанием воды в почве и воздухе.

Гидатофиты – растения полностью или почти полностью погруженные в воду.

Гидрофиты – наземно-водные, частично погруженные в воду. Растения типа камыша.

Гигрофиты – растения с низкой устойчивостью к недостатку воды. Растут в условиях избыточной влажности. Произрастают около водоемов, у них крупные листья с большим количеством устьиц слабо развитой кутикулой, слабая корневая система

Галофиты – растения, растущие в условиях повышенной солености почвы. Характеризуются большой скоростью транспирации и высоким осмотическим давлением в клетках. Могут запасать воду, если она имеется в изобилии. Некоторые виды способны выделять их через железы, расположенные по краям листьев.

Ксерофиты - растения сухих местообитаний, способные благодаря ряду приспособительных признаков и свойств переносить перегрев и обезвоживание. Разделяются на две большие группы – суккуленты и склерофиты.

Склерофиты – сухие, жесткие травы и кустарники, способные выдерживать сильное обезвоживание.

Суккуленты способны запасать в тканях большое количество воды, которую потом очень экономно расходуют.

Растения засушливых зон, ксерофиты, имеют мелкие жесткие листья с хорошо развитой кутикулой, длинные корни, высокое осмотическое давление в клетках.

Суккуленты (кактусы, агавы) имеют сильно развитую водозапасающую ткань, листья редуцированы в колючки и фотосинтез идет за счет стебля, корневая система расположена у поверхности и позволяет во влажные периоды запасти большое количество воды.

Эфемеры – однолетние растения, успевают за короткий влажный период отцвести и образовать плоды и семена.

Эфемероиды – многолетние растения, цветение которых происходит ранней весной, а летом надземные побеги полностью отмирают, засушливый период переносят под землей в виде луковиц, клубней, корневищ.

Животные также приспособились к жизни в условиях с различной влажностью. Для сохранения влаги в организме в условиях ее дефицита многие животные ведут ночной образ жизни, имеют плотные покровы и пониженное потоотделение. Некоторым животным достаточно воды, которая содержится в пище (кенгуровая крыса), некоторые могут долгое время обходиться без воды, используя метаболическую воду (верблюд около недели может не пить, используя воду, образующуюся при окислении запасов жира в горбах). Многие животные степей и пустынь могут переносить недостаток воды и высокую температуру, впадая в состояние летней спячки.