Лекция по "Классификации экологических факторов"

Основные понятия

 

Жизнь на Земле сформировалась под действием условий среды, которая представляет собой совокупность элементов, организмов, энергии и явлений, находящихся в постоянном взаимодействии.

Фактор среды – это движущая сила или условие, влияющее на жизнедеятельность данного организма в конкретной среде его обитания.

В условиях среды имеются компоненты, которые не влияют или мало влияют на жизнедеятельность организмов; это – инертные газы атмосферы, абиогенные элементы земной коры. Компоненты, которые существенно влияют на жизнедеятельность организмов и могут изменить условия их существования, называются экологическими факторами; это – свет, температура, вода, движение воздуха и его состав, свойства почв, засоление, радиоактивность и так далее.

Экологические факторы действуют совместно, но один фактор является определяющим в ответных реакциях живых организмов на условия среды (например, влажность в пустынях).

1.1 Классификация экологических факторов

Выделяют следующие группы экологических факторов: абиотические, биотические, антропогенные.

1.1.1 Абиотические факторы

Абиотические факторы – компоненты неживой природы. К ним относятся, например:

– климатические (свет, температура, влажность, ветер, давление);

– геологические (землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение);

– орографические (рельеф местности);

– эдафические, или почвенно-грунтовые (плотность, структура, водородный показатель рН, гранулометрический состав, химический состав);

– гидрологические (вода, течение, соленость, давление).

Иначе, абиотические факторы делятся на физические, химические и эдафические.

1.1.2 Биотические факторы

Биотические факторы – воздействие живых организмов друг на друга. При этом взаимоотношения могут быть внутривидовыми (взаимодействия между особями одного вида) и межвидовыми (между особями разных видов).

В зависимости от воздействующего  организма биотические факторы  делят на фитогенные (влияние растений), зоогенные (влияние животных), микробогенные (влияние микроорганизмов).

По типу взаимодействия различают протокооперацию (симбиоз), мутуализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конкуренции, паразитизм, хищничество, комменсализм, нейтрализм.

1.1.3 Антропогенные факторы

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания. При этом различается воздействие человека как биологического организма и его хозяйственная деятельность (техногенные факторы).

1.2 Воздействие экологических факторов

Экологические факторы оказывают на живые организмы различные воздействия:

– ограничивающие – делают невозможным существование в данных условиях;

– раздражительные – вызывают биохимические и физиологические адаптации;

– кодификационные – вызывают морфологические и анатомические изменения организмов;

– сигнальные – информируют об изменениях других факторов среды.

Экологические факторы  могут оказывать на организм прямое действие (уничтожение бактерий кипячением) и косвенное (воздействие света влияет на повышение температуры среды и существование организмов).

Разные экологические  факторы обладают различной изменчивостью  в пространстве и во времени. Одни из них относительно постоянны (сила тяготения, солнечная радиация, соленость океана), другие очень изменчивы (температура и влажность воздуха, сила ветра).

Изменения факторов среды  могут быть периодическими, т.е. регулярно повторяющимися (изменение температуры воздуха и освещенности в течение суток или года), и непериодическими (извержение вулкана, нападение хищника).

В природе экологические факторы действуют совместно, т.е. комплексно. Комплекс факторов, под действием которых осуществляются все основные жизненные процессы организмов, включая нормальное развитие и размножение, называют условиями жизни.

 

Условия, в которых размножение не происходит, называются условиями существования.

 

 

 

1.3 Закономерности воздействия экологических факторов

 

Для того чтобы нормально  существовать и развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в достаточных количествах. Однако при комплексном воздействии всех факторов среды часто имеет место «эффект замещения». Например, свет как экологический фактор может быть компенсирован понижением температуры, в результате чего приостанавливается процесс фотосинтеза у растений или активность у животных, что создает эффект короткого дня. При этом действие одного фактора не заменяется действием другого, а зависит от количества этих факторов.

Экологические факторы  среды подразделяют на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие). Ведущие факторы различны для разных организмов и на разных этапах их жизни. Например, при прорастании злаков ведущим фактором является температура, в период колошения и цветения – почвенная влага, в период созревания – количество минеральных веществ и влажность воздуха.

По отношению к каждому  фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Интенсивность  воздействия экологических факторов

 

Оптимум – такое количество экологического фактора, при котором интенсивность жизнедеятельности организмов максимальна.  
В зоне пессимума жизнедеятельность организмов угнетена. За пределами выносливости существование организма невозможно. Различают нижний и верхний пределы выносливости.

 

1.3.1 Закон Либиха

Экологический фактор, значение которого выходит за пределы выносливости вида, называется лимитирующим (ограничивающим) фактором. Такой фактор будет ограничивать распространение вида даже в том случае, если все остальные факторы будут благоприятными.

В роли экологических  факторов могут выступать как ведущие, так и фоновые экологические факторы. Понятие о лимитирующих факторах было введено в 1840 году Юстасом фон Либихом. Изучая влияние различных химических элементов в почве на рост растений, он сформулировал принцип, известный под названием правило или закон Либиха [5]:

«Величина урожая определятся  количеством в почве того из элементов  питания, потребность растения в  котором удовлетворена меньше всего».

 

Поясним закон минимума Либиха на конкретном примере. Рост растения угнетен или невозможен из-за недостатка бора или цинка при наличии всех элементов минерального питания. Если вносить в почву другие элементы в оптимальных количествах (например, азот, фосфор, калий), а бор (цинк) будет отсутствовать, это не даст никакого эффекта. Внесение нужного количества бора (цинка) приведет к увеличению урожая. Следовательно, недостаток бора (цинка), или длина короткой доски в бочке, – это лимитирующий фактор для роста растений, т.е. количество воды в «бочке Либиха».

Сформулированный закон  применим ко всем абиотическим и биотическим факторам, влияющим на растения или животных.

 

1.3.2 Закон Шелфорда

Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток, т.е. организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим максимумом. Представление о лимитирующем максимуме и минимуме ввел американский зоолог В. Шефорд, сформулировавший закон толерантности [5]:

«Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости к любому экологическому фактору».

Способность живых организмов переносить количественные колебания экологического фактора в той или иной степени называется экологической толерантностью (валентностью, устойчивостью).

Виды с широкой зоной толерантности называются эврибионтными, с узкой – стенобионтными. Например, организмы, переносящие значительные колебания температуры, называются эвритермными, а приспособленные к узкому интервалу температур – стенотермными. По отношению к давлению различают эври- и стенобатные организмы, по отношению к степени засоления среды – эври- и стеногалинные и т.д.

Закон толерантности выводит следующие  положения (по  
Ю. Одому [4]):

1) организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого (например, недостаток кислорода на дне океана);

2) организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены (например, крысы, тараканы);

3) диапазон толерантности может сузиться в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны (например, снижение температуры во влажном климате тропических лесов);

 

4) многие факторы среды становятся лимитирующими в особо важный (критический) период жизни организма (недостаток витаминов в период размножения).

1.4 Адаптации организмов к условиям среды

Адаптации – это различные  приспособления к среде обитания, выработавшиеся у организмов в процессе эволюции. Адаптации развиваются под действием трех основных факторов: наследственности, изменчивости и естественного (а также искусственного) отбора.

Существует три основных пути приспособления организмов к условиям окружающей среды: активный путь, пассивный путь, избегание неблагоприятных воздействий.

Активный путь – усиление сопротивляемости, развитие регуляторных процессов, позволяющих осуществлять все жизненные функции организма, несмотря на отклонения фактора от оптимума. Например, поддержание постоянной температуры тела у теплокровных животных (птиц и млекопитающих).

Пассивный путь – подчинение жизненных функций организма изменению факторов среды. Например, переход при неблагоприятных условиях среды в состояние анабиоза (зимний покой растений, сохранение семян и спор в почве, оцепенение насекомых, спячка позвоночных животных и т.д.).

Избегание неблагоприятных  воздействий – выработка организмом таких жизненных циклов и поведения, которые позволяют избежать неблагоприятных воздействий. Например, сезонные миграции животных.

Обычно приспособление вида к среде осуществляется тем  или иным сочетанием всех трех возможных  путей адаптации.

Живые организмы хорошо адаптированы к периодическим факторам. Непериодические факторы могут  вызывать болезни и даже смерть живого организма. Человек использует это, применяя пестициды, антибиотики и другие непериодические факторы. Однако длительное их воздействие также может вызвать к ним адаптацию.

1.5 Основные абиотические факторы среды

1.5.1 Температура как экологический фактор

Очень часто температура  является лимитирующим фактором, определяющим возможность (невозможность) обитания организмов в той или иной среде обитания.

По характеру температуры  тела все организмы делятся на две группы: пойкилотермные и гомойотермные.

Пойкилотермные организмы – это такие, температура тела у которых зависит от температуры окружающей среды и является практически такой же, как и температура среды. К пойкилотермным относятся растительные организмы, бактерии, вирусы, грибы, одноклеточные животные, а также животные с относительно низким уровнем организации (рыбы, членистоногие).

Гомойотермные – организмы, температура тела которых не зависит от температуры внешней среды и является более или менее постоянной: если и колеблется, то в небольших пределах - долях градуса. К гомойотермным относятся птицы и млекопитающие, включая человека. Постоянная температура тела уменьшает зависимость организмов от температуры внешней среды, дает возможность расселения по большому числу экологических ниш как в широтном, так и в вертикальном расселении по планете Земля.

Помимо гомойотермности организмы вырабатывают приспособления для преодоления воздействия низких температур.

1.5.1.1 Приспособление растений

Растения по характеру перенесения низких температур делят на теплолюбивые и холодостойкие. К теплолюбивым относят растения юга (бананы, пальмы, южные сорта яблонь, груш, персики, виноград и др.). К холодостойким относят растения средних и северных широт, а также растения, произрастающие высоко в горах (например, мхи, лишайники, сосна, ель, пихта, рожь).

Для перенесения воздействия низких температур растения имеют различные  приспособления.

В зимний период цитоплазма теряет воду и накапливает вещества, обладающие эффектом «антифриза» (это, например, моносахара, глицерин) - концентрированные растворы таких веществ замерзают только при низких температурах.

Переход растений в стадию (фазу), устойчивую к воздействию низких температур (стадии спор, семян, клубней, луковиц, корневищ, корнеплодов и т.д.). Древесные и кустарниковые формы растений теряют листья, стебли покрываются пробкой, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, а в живых клетках накапливаются вещества-антифризы.