Организмы и факторы среды

ОРГАНИЗМЫ И ФАКТОРЫ СРЕДЫ

• Свет
• Температура
• Влажность
• Воздух
• Почва и рельеф
• Погода и климат

     Современная экология - самостоятельная научная отрасль, включающая в себя большое число разделов и подразделов и изучающая широкий спектр вопросов. При этом одной из основных задач экологии, начиная с ее становления как науки, является изучение взаимоотношений между живыми организмами и окружающей средой.

     Живые организмы образуют живое вещество биосферы или биоту Земли. В настоящее  время описано около 2 млн видов  организмов, при этом фактическое  многообразие жизни на планете оценивается  в 10-20 млн видов.

     Живые организмы и их объединения - открытые системы. Организмы постоянно создают из беспорядка упорядоченность. В них создается и поддерживается физическое и химическое неравновесие, на котором основана работоспособность живых систем. В процессе индивидуального развития (онтогенеза), так же как и в процессе эволюционного развития (филогенеза), все время образуются новые структуры, т. е. достигается состояние более высокой упорядоченности. Это кажущееся противоречие с законом возрастания энтропии (вторым законом термодинамики) объясняется тем, что организмы - не изолированные, а открытые системы (биосистемы), непрерывно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. Обмен веществ, с точки зрения, термодинамики необходим для того, чтобы препятствовать увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в системе. Живые организмы питаются "отрицательной энтропией", т. е. переносят упорядоченность (отрицательную энтропию) из питательных веществ в самих себя. Таким образом, живые организмы могут создавать внутри себя упорядоченность только за счет того, что они уменьшают упорядоченность в окружающей их среде.

     На  протяжении всей жизни (отногенеза) и  эволюции (филогенеза) биосистемы находятся  в постоянном взаимодействии со средой обитания, образуя систему "организм - среда".

     Среда - это часть природы, окружающая живые организмы и оказывающая на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее выделяют продукты метаболизма. Среда каждого организма слагается из элементов неорганической и органической природы.

     Выделяют  абиотическую среду, биотическую, биогенную, биологическую, географическую, геологическую, антропогенную, техногенную, культурную и др. Так, биологическая среда - совокупность живых организмов, в системе которых находится рассматриваемый организм; биотическая среда - силы и явления природы, обязанные своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов; биогенная среда - совокупность биологической и биотической сред.

     На  Земле живые организмы освоили четыре основные среды обитания: водную, в которой возникла и распространилась жизнь, наземно-воздушную, почву и сами живые организмы, каждый из которых представляет место обитания населяющих его паразитов или симбионтов.

     Приспособление  организмов к среде называется адаптацией. Адаптации возникают в процессе эволюции видов и проявляются на всех уровнях организации. Степень адаптации, или уровень приспособленности организмов к определенным условиям среды, контролируется естественным отбором.

     В понятие "среда обитания" входит совокупность абиотических и биотических условий жизни организмов. Отдельные элементы среды, воздействующие на организмы, называютсяэкологическими факторами, среди которых выделяют абиотические, биотические и антропогенные факторы.

     Абиотические факторы - это все свойства неживой природы (температура, свет, давление, влажность, радиоактивное излучение, ветер, течения, рельеф местности), которые прямо или косвенно влияют на живые организмы. Выделяют следующие группы абиотических факторов: климатические (свет, температура, влага, воздух, ветер), эдафогенные (почва и рельеф) и химические (газовый состав, солевой состав воды).

     Биотические факторы - это различные формы воздействия живых организмов друг на друга. Окружающий органический мир - обязательная составляющая часть среды каждого живого организма. Среди биотических факторов выделяют фитогенные (растительные), зоогенные (животные) и др. Типы исторически сложившихся взаимоотношений между организмами разнообразны (см. главу "Биоценозы. Межвидовые взаимоотношения в биоценозах").

     Антропогенные факторы - это различные формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как среды обитания других видов или непосредственно воздействуют на живые организмы. В настоящее время практически не осталось природных систем, не затронутых хозяйственной деятельностью человека. В связи с техническим прогрессом и ростом народонаселения воздействие антропогенного фактора на природу будет в дальнейшем катастрофически усиливаться. Среди видов антропогенного воздействия на биоту можно выделить загрязнение, прямое истребление организмов, урбанизацию, рекреацию, общую трансформацию среды обитания организмов и др. (см. главу "Человек и окружающая среда. Антропогенное воздействие на природу").

     Влияние факторов среды определяется прежде всего их воздействием на обмен веществ  организмов. Поэтому все экологические факторы по их действию можно разделить на прямодействующие и косвеннодействующие. Так, химическое воздействие хлорфторуглеродов на озоновый слой приводит к его ослаблению (истощению), что, в свою очередь, ведет к губительному воздействию коротковолнового ультрафиолетового излучения на живые организмы. Другой пример - действие пестицидов на хищников через пищевые цепи.

     Растения, с одной стороны, могут использоваться другими организмами (в том числе  и человеком в пищу, с другой стороны, в процессе фотосинтеза выделяют кислород и влияют на процесс дыхания других организмов. Организмы могут косвенно влиять на другие организмы через продукты метаболизма, удобряя почву.

     Каждый  экологический фактор характеризуется  определенными количественными  показателями, например силой и диапазоном действия.

     Большинство экологических факторов, например температура  или влажность, изменчиво в пространстве и времени, при этом степень изменчивости какого-либо фактора зависит от особенностей среды обитания. Так, температура той или иной местности зависит от господствующих ветров, особенностей топографии, высоты над уровнем моря, близости водоемов, облачного покрова. Среднесуточная температура на экваторе меняется в зависимости от сезона очень слабо, тогда как в более высоких широтах она колеблется в значительно большей степени.

     С течением времени любые условия  существования, или экологические  факторы, изменяются, но в одних случаях  они подвержены более сильным  изменениям, в других - менее сильным. Выделяют три основных типа изменений среды обитания:

1. циклические (регулярно-периодические) - повторяющиеся периодически: при смене времен года, при приливах и отливах, при поочередном наступлении светлого и темного времени суток;
2. направленные, при которых направление изменения остается стабильным в течение продолжительного периода времени: прогрессирующая эрозия берегов, накопление донных осадков в эстуариях рек, похолодание или потепление климата и др.;
3. хаотические (нерегулярные) - без определенного направления и периодичности (аритмия): непредсказуемые изменения времени возникновения и траекторий циклонов и ураганов, пожары и др.

     В природе наблюдается соответствие между организмами и изменяющейся средой, в том числе. Во взаимоотношениях организмов и среды, включая ответные реакции организмов на воздействие различных экологических факторов, можно выделить ряд общих закономерностей.

1. Закон Рулье (1845). Животные живут только потому, что находятся во взаимном действии или общении с внешним для них миром (первый генетический закон).
2. Закон Вернадского, или Закон единства "организм - среда". Жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потока энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов, т. е. отношения организма и его среды системны.
3. Принцип экологического соответствия. Форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. При этом вид может существовать до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям.
4. Закон совместного (совокупного) действия факторов. Экологические факторы, составляющие среду обитания организмов, действуют на них совместно. Взаимосвязь экологических факторов и их взаимное усиление и ослабление определяют их воздействие на организм и успешность его жизни.
5. Закон оптимума. Живые организмы имеют определенный набор потребностей в отношении условий обитания. Для каждого вида существует так называемый экологический преферендум к различным экологическим факторам. Например, термопреферендум - предпочитаемая температура, биотопический преферендум - предпочитаемые биотопы.

     Выделяют зону оптимума экологического фактора, или экологический оптимум для организмов данного вида,- наиболее благоприятное воздействие какого-либо фактора (определенный диапазон температуры, влажности, характер биотопа и т. д.).

     Также выделяют зону пессимума экологического фактора, или экологический пессимум, - отклонение от оптимума (зона угнетения).

     Максимально и минимально переносимые значения экологического фактора - это критические точки, за пределами которых наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью вида по отношению к конкретному фактору среды. Иногда употребляют термин "экологическая толерантность", обозначающий устойчивость вида (предел выносливости) к определенному экологическому фактору.

     Каждый  вид имеет определенную экологическую  валентность, зону оптимума и пессимума  к различным факторам среды. Так, например некоторые рыбы обитают  в полярных водах при температурах между -1 и -2^oС, тогда как другие населяют тропические мелководья, прогретые до 40^oС. Существуют водоросли, которые живут и размножаются при температурах свыше 70^oС, но существуют также мхи и лишайники, которые в состоянии выдержать охлаждение до -70^oС. Даже среди близкородственных видов существуют значительные различия в экопреферендуме. Так из трех видов бокоплавов, живущих в британских реках, один встречается в местах (эстуариях), где соленость не падает ниже 25%, другой - с соленостью от 10 до 20%, третий - обитатель пресных вод.

     Широкие диапазоны толерантности, или широкую  экологическую валентность к  абиотическим факторам обычно обозначают приставкой "эври-". Эвритермные виды - выносящие значительные колебания температуры, эврибатные - широкий диапазон давления, эвригалинные - разную степень засоления среды, эвритопные - встречающися в различных типах местообитаний.

     Узкие диапазоны толерантности, или узкую  экологическую валентность обозначают приставкой "стено-" (стенотермные, стенобатные, стеногалинные, стенотопные виды). Виды со средними диапазонами толерантности обозначают приставкой "олиго-".

     В широком смысле слова виды, для  существования которых необходимы строго определенные экологические  условия, называют стенобионтными, а виды с широким диапазоном толерантности - эврибионтными. Последние также называются видами с широкой экологической пластичностью, или экологически пластичными видами.

     6. Законы лимитирующих  факторов. Среди различных условий обитания выделяются факторы, которые сильнее всего ограничивают успешность жизни организма. В наиболее общем виде эту закономерность формулируют: закон минимума Ю.Либиха (1840), закон лимитирующих (ограничивающих) факторов Ф. Блэкмана (1909), и закон толерантности В. Шелфорда (1913).

     Закон минимума был сформулирован еще в 1840 г., задолго до возникновения экологии Ю. Либихом. В простейшем виде этот закон касается успешности роста и величины урожая сельскохозяйственного растения, зависящих от вещества, находящегося в почве в минимуме по сравнению с другими необходимыми веществами. Позже закон минимума был истолкован как действие любого экологического фактора, находящегося в минимуме по сравнению с другими экологическими воздействиями.

     Согласно  закону лимитирующих факторов Ф. Блэкмана, факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, особенно затрудняют возможность существования вида в данных условиях, даже несмотря на оптимальное сочетание других условий. Среди многих факторов, которые могут быть лимитирующими, часто наиболее важными оказываются различные биогенные элементы, вода и температура.

     Сходная концепция, развитая В. Шелфордом, известна как закон толерантности. Лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и  максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору. Так, например, ящерицам, живущим в пустыне, ранним утром слишком холодно, а днем в этой же среде им слишком жарко. Отчасти ящерицы компенсируют указанные особенности местообитания, проводя большую часть времени утром на солнце, а днем, укрываясь в тени.