Влияние экологических факторов. Экологические факторы. Общие сведения. Экологическая роль основных абиотических факторов
Экологические факторы - совокупность определенных условий окружающей среды и ее элементов, способных оказывать воздействие на организмы, взаимодействующие с этой средой. Каждый организм в свою очередь соответствующим образом реагирует на эти воздействия и вырабатывает приспособительные меры. Именно экологические факторы определяют возможность существования и нормальной жизнедеятельности организмов. Однако наиболее часто живые существа подвергаются воздействию не одного, а нескольких факторов одновременно. Это, несомненно, оказывает специфическое воздействие на способность к приспособлению.
Классификация
По своему происхождению выделяют следующие экологические факторы:
1. Биотические.
2. Абиотические.
3. Антропогенные.
Первая группа состоит из взаимоотношений различных живых организмов друг с другом, а также включает их общее воздействие на окружающую среду. Кроме того, взаимодействие живых организмов может привести к изменению абиотических факторов, например, изменению состава почвенных покровов, а также микроклиматических условий среды. Среди биотических факторов выделяют две группы: зоо- и фитогенные. Первые отвечают за воздействие различных видов животных друг на друга и на окружающий мир, вторые, в свою очередь, - за действие растительных организмов на окружающую среду и взаимодействие их между собой. Необходимо отметить, что воздействие животных или растений в пределах одного конкретного вида также носит значимый характер и исследуется наравне с межвидовыми связями.
Вторая группа включает в себя экологические факторы, которые иллюстрируют взаимодействие неживой природы и живых организмов, осуществляемые посредством прямого или косвенного влияния. Различают химические, климатические, гидрографические, пирогенные, орографические и эдафические факторы. Они отражают воздействия всех четырех стихий: воды, земли, огня и воздуха. Третья группа факторов показывает уровень воздействия процессов жизнедеятельности человека на окружающую среду, а также животный и растительный мир. К данной категории относят прямое и косвенное воздействие, которое заключается в любых формах жизнедеятельности человеческого общества. Например, разработка земляных покровов, создание новых видов и уничтожение имеющихся, корректировка численности особей, загрязнение окружающей среды и многое другое.
Биосистема
Из совокупности условий и факторов, а также видов, присутствующих в конкретном регионе, складывается биосистема. Она наглядно иллюстрирует все взаимосвязи между организмами и элементами неживой природы. Структура биосистемы может иметь сложный и запутанный вид, поэтому в некоторых случаях удобнее пользоваться особой формой, которая носит название "Экологическая пирамида". Подобную графическую модель разработал англичанин Ч. Элтон в 1927 году. Различают три типа пирамид, каждая из которых отражает либо численность популяций (пирамида чисел), либо общее число затрачиваемой биомассы (пирамида биомасс), либо же запас заключенной в организмах энергии (пирамида энергии).
Наиболее часто построение подобных структур имеет пирамидальную форму, откуда, собственно, и произошло название. Однако в некоторых случаях можно столкнуться с так называемой перевернутой пирамидой. Это означает, что численность консументов превосходит численность продуцентов.
Введение
1.1 Абиотические факторы
1.2 Биотические факторы
2.3 Особенности адаптации
Заключение
Введение
Живое неотрывно от среды. Каждый отдельный организм, являясь самостоятельной биологической системой, постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами и явлениями окружающей его среды или, иначе, среды обитания, влияющими на состояние и свойства организма.
Среда - одно из основных экологических понятий, которое означает весь спектр окружающих организм элементов и условий в той части пространства, где он обитает, все то, среди чего он живет и с чем непосредственно взаимодействует.
Среда обитания каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы и элементов, привносимых человеком и его производственной деятельностью. При этом каждый элемент всегда прямо или косвенно влияет на состояние организма, его развитие, выживание и размножение - одни элементы могут быть частично или полностью безразличны организму, другие - необходимы, а третьи - оказывать отрицательное воздействие.
Несмотря на все многообразие экологических факторов, о котором будет рассказано ниже, и различную природу их происхождения, существуют общие правила и закономерности их влияния на живые организмы, изучение которых и является целью данной работы.
1. Экологические факторы и их действие
Экологический фактор - любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития. Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды (необходимых для жизнедеятельности организма элементов среды обитания) и его ресурса (их запаса в среде).
Существует множество подходов к классификации экологических факторов. Так, например, можно выделить: по периодичности - периодический и непериодический факторы; по среде возникновения - атмосферный, водный, генетический, популяционный и др.; по происхождению - абиотический, космический, антропогенный и др.; факторы, зависящие и не зависящие от численности и плотности организмов и др. Все это многообразие экологических факторов подразделяется на две большие группы: абиотические и биотические (Рис.1).
Абиотические факторы (неживой природы) - это комплекс условий неорганической среды, влияющих на организм.
Биотические факторы (живой природы) - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
экологический фактор абиотический биотический
Рис.1. Классификация экологических факторов
В данном случае антропогенный фактор, прямо или косвенно связанный с деятельностью человека, соотнесен к группе факторов биотического влияния, т.к. само понятие "биотические факторы" охватывает действия всего органического мира, которому принадлежит и человек. Однако в отдельных случаях его выделяют в самостоятельную группу наряду с абиотическими и биотическими факторами, подчеркивая тем самым его чрезвычайное действие - человек не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, синтезируя ядохимикаты, удобрения, строительные материалы, лекарства и т.п. Также возможна классификация, при которой биотические и абиотические факторы соотносятся как природным, так и антропогенным факторам.
1.1 Абиотические факторы
В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы, прежде всего, можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.
К климатическим факторам относятся:
Энергия Солнца . Она распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия. Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и темное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных и многое другое в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня).
Температура. Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников. При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. В водной среде благодаря высокой теплоемкости воды изменения температуры менее резкие и условия более стабильные, чем на суше. Известно, что в регионах, где температура в течение суток, а также в разные сезоны сильно меняется, разнообразие видов меньше, чем в регионах с более постоянными суточными и годовыми температурами.
Осадки, влажность. Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна. Одна из основных физиологических функций любого организма - поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (верблюд). При периодической засушливости характерно впадение в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ. Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги - к переувлажнению и заболачиванию почв. Помимо отмеченного, влажность воздуха как экологический фактор при своих крайних значениях (повышенной и пониженной влажности), усиливает воздействие температуры на организм. Режим осадков - важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.
Подвижность среды. Причинами возникновения движения воздушных масс (ветра) являются в первую очередь неодинаковый нагрев земной поверхности, вызывающий перепады давления, а также вращение Земли. Ветер направлен в сторону более прогретого воздуха. Ветер - важнейший фактор распространения на большие расстояния влаги, семян, спор, химических примесей и т.п. Он способствует как снижению околоземной концентрации пыле - и газообразных веществ вблизи места их поступления в атмосферу, так и повышению фоновых концентраций в воздушной среде вследствие выбросов далеких источников, включая трансграничный перенос. Кроме того, ветер косвенно влияет на все живые организмы суши, участвуя в процессах выветривания и эрозии.
Давление. Нормальным атмосферным давлением считается абсолютное давление на уровне поверхности Мирового океана 101,3 кПа, соответствующее 760 мм рт. ст. или 1 атм. В пределах земного шара существуют постоянные области высокого и низкого атмосферного давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные его колебания. По мере увеличения высоты относительно уровня океана давление уменьшается, снижается парциальное давление кислорода, усиливается транспирация у растений. Периодически в атмосфере образуются области пониженного давления с мощными воздушными потоками, перемещающимися по спирали к центру (циклоны). Для них характерно большое количество осадков и неустойчивая погода. Противоположные природные явления называют антициклонами. Они характеризуются устойчивой погодой, слабыми ветрами. При антициклонах порой возникают неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению в приземном слое атмосферы загрязняющих веществ.
Ионизирующие излучения - излучения, образующие пары ионов при прохождении через вещество; фоновое - излучение, создаваемое природными источниками. Оно имеет два основных источника: космическое излучение и радиоактивные изотопы и элементы в минералах земной коры, возникшие некогда в процессе образования вещества Земли. Радиационный фон ландшафта - одна из непременных составляющих его климата. Все живое на Земле подвергается излучению из Космоса на протяжении всей истории существования и адаптировалось к этому. Горные ландшафты благодаря значительной высоте над уровнем моря характеризуются повышенным вкладом космического излучения. Суммарная радиоактивность морского воздуха в сотни и тысячи раз меньше, чем континентального. Радиоактивные вещества могут накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость радиоактивного распада. В живых организмах накопление радиоактивных веществ происходит при их попадании с пищей.
Влияние абиотических факторов в значительной мере зависит от топографических характеристик местности, которые могут сильно изменять как климат, так и особенности развития почв. Основной топографический фактор - высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление. В результате в горной местности по мере подъема наблюдается вертикальная зональность распределения растительности, соответствующая последовательности смены широтных зон от экватора к полюсам.
Горные цепи могут служить климатическими барьерами. Горы могут играть роль изолирующего фактора в процессах видообразования, так как служат барьером для миграции организмов.
Важный топографический фактор - экспозиция (освещенность) склона. В Северном полушарии теплее на южных склонах, а в Южном полушарии - на северных склонах.
Другой важный фактор - крутизна склона , влияющая на дренаж. Вода стекает со склонов, смывая почву, уменьшая ее слой. Кроме того, под действием силы тяжести почва медленно сползает вниз, что ведет к ее скоплению у основания склонов.
Рельеф местности - один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.
Состав среды
Состав водной среды. Распространение и жизнедеятельность организмов в водной среде в значительной степени зависят от ее химического состава. Прежде всего, водные организмы подразделяют на пресноводные и морские в зависимости от солености воды, в которой они обитают. Повышение солености воды в среде обитания ведет к потере воды организмом. Соленость воды влияет и на наземные растения. При чрезмерно интенсивном испарении воды либо ограниченности осадков почва может засоляться. Еще один из основных комплексных показателей химического состава водной среды - кислотность (рН). Одни организмы эволюционно приспособлены к жизни в кислой среде (рН < 7), другие - в щелочной (рН > 7), третьи - в нейтральной (рН~7). В составе природной водной среды всегда присутствуют растворенные газы, из которых первоочередное значение имеют кислород и диоксид углерода, участвующие в фотосинтезе и дыхании водных организмов. Среди прочих растворенных в океане газов наиболее заметны сероводород, аргон и метан.
Один из главных абиотических факторов наземной (воздушной) среды обитания - состав воздуха, естественной смеси газов, сложившейся в ходе эволюции Земли. Состав воздуха в современной атмосфере находится в состоянии динамического равновесия, зависящего от жизнедеятельности живых организмов и геохимических явлений глобального масштаба. Воздух, лишенный влаги и взвешенных частиц, имеет на высоте уровня моря практически одинаковый состав во всех местностях земного шара, а также на протяжении суток и в разные периоды года. Азот, присутствующий в атмосферном воздухе в наибольшем количестве, в газообразном состоянии для абсолютного большинства организмов, особенно для животных, является нейтральным. Только для ряда микроорганизмов (клубеньковых бактерий, азотобактеров, сине-зеленых водорослей и др.) азот воздуха служит фактором жизнедеятельности. Присутствие в воздухе иных газообразных веществ или аэрозолей (твердых или жидких частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии) в каких-либо заметных количествах изменяет привычные условия среды обитания, влияет на живые организмы.
Состав почв
Почва - слой веществ, лежащих на поверхности земной коры. Она представляет собой продукт физического, химического и биологического преобразования горных пород и является трехфазной средой, включающей твердые, жидкие и газообразные компоненты, находящиеся в следующих соотношениях: минеральная основа - обычно 50-60% от общего состава; органическое вещество - до 10%; вода - 25-35%; воздух - 15-25%. В данном случае почва рассматривается среди прочих абиотических факторов, хотя на самом деле она является важнейшим звеном, связывающим абиотические и биотические факторы среды обитания.
Наша планета не изолирована от процессов, протекающих в космическом пространстве. Земля периодически сталкивается с астероидами, сближается с кометами, на нее попадают космическая пыль, метеоритные вещества, разнообразны виды излучений Солнца и звезд. Циклически (один из циклов имеет период 11,4 г.) солнечная активность меняется. Наукой накоплено множество фактов, подтверждающих влияние
Огонь (пожары)
К числу важных природных абиотических факторов относят пожары, которые при определенном сочетании климатических условий приводят к полному или частичному выгоранию наземной растительности. Основной причиной возгораний в естественных условиях являются молнии. По мере развития цивилизации увеличивалось число пожаров, связанных с деятельностью человека. Косвенное экологически значимое воздействие огня проявляется прежде всего в устранении конкуренции для видов, переживших пожар. Кроме того, после сгорания растительного покрова резко изменяются такие условия среды, как освещенность, разница между дневной и ночной температурами, влажность. Также облегчаются ветровая и дождевая эрозия почвы, ускоряется минерализация гумуса.
Однако почва после пожаров обогащается питательными элементами, такими, как фосфор, калий, кальций, магний. Искусственное предотвращение пожаров вызывает изменения факторов среды обитания, для поддержания которых в естественных пределах необходимы периодические выгорания растительности.
Совокупное воздействие экологических факторов
Экологические факторы среды воздействуют на организм одновременно и совместно. Совокупное воздействие факторов (констелляция) в той или иной мере взаимоизменяет характер воздействия каждого отдельного фактора.
Хорошо изучено влияние влажности воздуха на восприятие животными температуры. С повышением влажности уменьшается интенсивность испарения влаги с поверхности кожи, что затрудняет работу одного из наиболее эффективных механизмов приспособления к высокой температуре. Низкие температуры также легче переносятся в сухой атмосфере, имеющей меньшую теплопроводность (лучшие теплоизоляционные свойства). Таким образом, влажность среды меняет субъективное восприятие температуры у теплокровных животных, в том числе у человека.
В комплексном действии экологических факторов среды значение отдельных экологических факторов неравноценно. Среди них выделяют ведущие (которые необходимы для жизнедеятельности) и второстепенные факторы (существующие или фоновые факторы). Обычно у разных организмов различные ведущие факторы, даже если организмы живут в одном месте. Кроме того, смену ведущих факторов наблюдают при переходе организма в другой период своей жизни. Так, в период цветения ведущим фактором для растения может быть свет, а в период формирования семян - влага и питательные вещества.
Иногда недостаток одного фактора частично компенсируется усилением другого. Например, в Арктике продолжительный световой день компенсирует недостаток тепла.
1.2 Биотические факторы
Все живое, окружающее организм в среде обитания, составляет биотическую среду или биоту. Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.
Взаимоотношения между животными, растениями, микроорганизмами чрезвычайно многообразны. Прежде всего различают гомотипические реакции, т.е. взаимодействие особей одного и того же вида, и гетеротипические - отношения представителей разных видов.
Представители каждого вида способны существовать в таком биотическом окружении, где связи с другими организмами обеспечивают им нормальные условия жизни. Главной формой проявления этих связей служат пищевые взаимоотношения организмов различных категорий, составляющие основу пищевых (трофических) цепей.
Кроме пищевых связей, между растительными и животными организмами возникают также пространственные взаимоотношения. В результате действия многих факторов разнообразные виды объединяются не в произвольном сочетании, а только при условии приспособленности к совместному обитанию.
Стоит выделить основные формы биотических взаимоотношений :
. Симбиоз (сожительство) - это форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них извлекают пользу от другого.
. Кооперация представляет собой длительное, неразделимое взаимовыгодное сожительство двух и более видов организмов. Например, отношения рака-отшельника и актинии.
. Комменсализм - это взаимодействие между организмами, когда жизнедеятельность одного доставляет пищу (нахлебничество) или убежище (квартиранство) другому. Типичные примеры - гиены, подбирающие остатки недоеденной львами добычи, мальки рыб, прячущиеся под зонтиками крупных медуз, а также некоторые грибы, растущие у корней деревьев.
. Мутуализм - взаимополезное сожительство, когда присутствие партнера становится обязательным условием существования каждого из них. Примером служит сожительство клубеньковых бактерий и бобовых растений, которые могут совместно жить на почвах, бедных азотом, и обогащать им почву.
. Антибиоз - форма взаимоотношений, при которой оба партнера или один из них испытывают отрицательное влияние.
. Конкуренция - отрицательное воздействие организмов друг на друга в борьбе за пищу, местообитание и другие необходимые для жизни условия. Проявляется наиболее отчетливо на популяционном уровне.
. Хищничество - отношение между хищником и жертвой, заключающееся в поедании одного организма другим.
Хищники - это животные или растения, ловящие и поедающие животных как объект питания. Так, например, львы поедают растительноядных копытных, птицы - насекомых, крупные рыбы - более мелких. Хищничество одновременно полезно для одного и вредно для другого организма.
В то же время все эти организмы необходимы друг другу.
В процессе взаимодействия "хищник - жертва" происходят естественный отбор и приспособительная изменчивость, т.е. важнейшие эволюционные процессы. В естественных условиях ни один вид не стремится (и не может) привести к уничтожению другого.
Более того, исчезновение какого-либо естественного "врага" (хищника) из среды обитания может способствовать вымиранию его жертвы.
Исчезновение (или уничтожение) такого "естественного врага" наносит ущерб хозяину, так как слабые, отставшие в развитии или имеющие иные недостатки особи не будут уничтожаться, что способствует постепенной деградации и вымиранию.
Вид, не имеющий "врагов", обречен на вырождение. Отмеченное обстоятельство имеет особо важное значение в таких случаях, как разработка и применение средств защиты растений в сельском хозяйстве.
. Нейтрализм - взаимонезависимость разных видов, обитающих на одной территории, называют нейтрализмом.
Например, белки и лоси не конкурируют друг с другом, но засуха в лесу сказывается на тех и на других, хотя в разной степени.
Биотическое влияние на растения
Биотические факторы, воздействующие на растения как первичные продуценты органического вещества, подразделяют на зоогенные (например, поедание растения целиком или отдельных его частей, вытаптывание, опыление) и фитогенные (например, переплетение и срастание корней, охлестывание ветвями соседних крон, использование одним растением другого для прикрепления и многие другие формы взаимоотношений между растениями).
Биотические факторы почвенного покрова
В процессах образования и функционирования почвы важнейшую роль играют живые организмы. В первую очередь к ним относятся зеленые растения, извлекающие из почвы питательные химические вещества и возвращающие их обратно с отмирающими тканями. В лесах основным материалом подстилки и гумуса служат листва и хвоя деревьев, определяющие кислотность почвы. Растительность создает непрерывный поток зольных элементов из более глубоких слоев почвы к ее поверхности, т.е. их биологическую миграцию. В почве постоянно обитает множество организмов различных групп. На 1 м площади почвы встречаются десятки тысяч червей, мелких членистоногих. В ней живут грызуны, ящерицы, роют норы кролики. Часть жизненного цикла многих беспозвоночных (жуки, прямокрылые и т.п.) также проходит в почве. Ходы и норы способствуют перемешиванию и аэрации почвы, облегчают рост корней. Проходя через пищеварительный тракт червя, почва измельчается, минеральные и органические компоненты перемешиваются, структура почвы улучшается. Протекающие в почве процессы синтеза, биосинтеза, разнообразные химические реакции преобразования веществ связаны с жизнедеятельностью бактерий.
2. Закономерности воздействия факторов среды на организмы
Экологические факторы динамичны, изменчивы во времени и пространстве. Теплое время года регулярно сменяется холодным, в течение суток наблюдается колебание температуры и влажности, день сменяет ночь и т.п. Все это природные (естественные) изменения экологических факторов. Также, как уже говорилось выше, в них может вмешиваться человек, изменяя либо режимы экологических факторов (абсолютные значения или динамику), либо их состав (например, разрабатывая, производя и применяя не существовавших ранее в природе средств защиты растений, минеральных удобрений и др.).
Несмотря на многообразие экологических факторов, разную природу их происхождения, их изменчивость во времени и пространстве, можно выделить общие закономерности их воздействия на живые организмы.
2.1 Понятие об оптимуме. Закон минимума Либиха
Каждый организм, каждая экосистема развивается при определенном сочетании факторов: влаги, света, тепла, наличия и состава питательных ресурсов. Все факторы действуют на организм одновременно. Реакция организма зависит не столько от самого фактора, сколько от его количества (дозы). Для каждого организма, популяции, экосистемы существует диапазон условий среды - диапазон устойчивости, в рамках которого происходит жизнедеятельность объектов (рис.2).
Рис.2. Влияние температуры на развитие растений
В процессе эволюции у организмов сформировались определенные требования к условиям среды. Дозы факторов, при которых организм достигает наилучшего развития и максимальной продуктивности, соответствует оптимуму условий. С изменением этой дозы в сторону уменьшения или увеличения происходит угнетение организма и чем сильнее отклонение значения факторов от оптимума, тем снижение жизнеспособности больше, вплоть до его гибели. Условия, при которых жизнедеятельность максимально угнетена, но организм еще существует, называются пессимальными. Например, на юге лимитирующим фактором является влагообеспеченность. Так, в Южном Приморье оптимальные лесорастительные условия свойственны северным склонам гор в их средней части, а пессимальные - сухим южным склонам с выпуклой поверхностью.
Тот факт, что ограничение дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, относящихся как к макро, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату - замедлению роста и развития, обнаружен и изучен немецким химиком Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха: наибольшее влияние на выносливость растений оказывают те факторы, которые в данном местообитании находятся в минимуме.2 При этом Ю. Либих, проводя опыты с минеральными удобрениями, рисовал бочку с дырками, показывая, что нижняя дырка в бочке определяет уровень жидкости в ней.
Закон минимума справедлив как для растений, так и для животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме.
Фактор, уровень которого близок к пределам выносливости конкретного организма называется ограничивающим (лимитирующим). И именно к этому фактору организм приспосабливается (вырабатывает адаптации) в первую очередь. Например, нормальное выживание пятнистого оленя в Приморье имеет место только в дубняках на южных склонах, т.к. здесь мощность снега незначительна и обеспечивает оленю достаточную кормовую базу на зимний период. Ограничивающим фактором для оленя является глубокий снег.
Впоследствии в закон Либиха были внесены уточнения. Важной поправкой и дополнением служит закон неоднозначного (селективного) действия фактора на различные функции организма: любой экологический фактор неодинаково влияет на функции организма, оптимум для одних процессов, например дыхания, не есть оптимум для других, например пищеварения, и наоборот.
Э. Рюбелем в 1930 г. был установлен закон (эффект) компенсации (взаимозаменяемости) факторов: отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов может быть компенсировано другим близким (аналогичным) фактором.
Например, недостаток света может быть компенсирован для растения обилием диоксида углерода, а при построении раковин моллюсками недостающий кальций может заменяться на стронций. Однако компенсаторные возможности у факторов ограничены. Нельзя ни один фактор полностью заменить другим, и если значение хотя бы одного из них выходит за верхний или нижний пределы выносливости организма, существование последнего становится невозможным, каковы бы благоприятны не были остальные факторы.
В 1949 г. В.Р. Вильяме сформулировал закон незаменимости фундаментальных факторов: полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды и т.д.) не может быть заменено другими факторами.
К этой группе уточнений закона Либиха относится несколько отличное от других правило фазовых реакций "польза - вред": малые концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций (их стимулирования), тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к его смерти.
Эта токсикологическая закономерность справедлива для многих (так, известны лечебные свойства малых концентраций змеиного яда), но не всех ядовитых веществ.
2.2 Закон лимитирующих факторов Шелфорда
Фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке. Как уже говорилось выше, проблемы возникают также и при избытке любого из экологических факторов. Из опыта известно, что при недостатке воды в почве ассимиляция растением элементов минерального питания затруднена, но и избыток воды ведет к аналогичным последствиям: возможна гибель корней, возникновение анаэробных процессов, закисание почвы и т.п. Жизненная активность организма также заметно угнетается при малых значениях и при чрезмерном воздействии такого абиотического фактора, как температура (Рис.2).
Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т.е. толерантность данного организма к соответствующему фактору. Таким образом, толерантность - это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.
Впервые предположение о лимитирующем (ограничивающем) влиянии максимального значения фактора наравне с минимальным значением было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору.
Другая формулировка закона В. Шелфорда поясняет, почему закон толерантности одновременно называют законом лимитирующих факторов: даже единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма и в пределе - к его гибели. Поэтому экологический фактор, уровень которого приближается к любой границе диапазона выносливости организма или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором.
Закон толерантности дополняют положения американского эколога Ю. Одума:
·организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого;
·организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены;
·диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма;
·многие факторы среды становятся ограничивающими (лимитирующими) в особо важные (критические) периоды жизни организмов, особенно в период размножения.
К этим положениям также примыкает закон Митчерлиха Бауле или закон совокупного действия: совокупность факторов воздействует сильнее всего на те фазы развития организмов, которые имеют наименьшую пластичность - минимальную способность к приспособлению.
В зависимости от способности организма адаптироваться к условиям среды их можно разделить на виды, способные существовать в условиях небольшого отклонения от своего оптимума, узкоспециализированные - стенобионтные, и виды способные существовать при значительных колебаниях факторов - эврибионтные (Рис.3).
Типичными эврибионтами являются простейшие организмы, грибы. Из высших растений к эврибионтам можно отнести виды умеренных широт: сосну обыкновенную, дуб монгольский, бруснику и большинство видов вересковых. Стенобионтность вырабатывается у видов, длительное время развивающихся в относительно стабильных условиях.
Существуют и другие термины, характеризующие отношение видов к факторам окружающей среды. Добавление окончания "фил" (phyleo (греч.) - люблю) означает, что вид приспособился к высоким дозам фактора (термофил, гигрофил, оксифил, галлофил, хионофил), а добавление "фоб", наоборот, к низким (галлофоб, хионофоб). Вместо "термофоба" обычно употребляется "криофил", вместо "гигрофоба" - "ксерофил".
2.3 Особенности адаптации
Животные и растения вынуждены приспосабливаться к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Динамичность экологических факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам.
Признаки, способствующие выживанию организма, постепенно усиливаются под действием естественного отбора, пока не будет достигнута максимальная приспособленность к существующим условиям. Приспособление может происходить на уровне клетки, тканей и даже целого организма, затрагивая форму, размеры, соотношение органов и т.п. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, т.е. происходит адаптация.
Адаптация имеет следующие особенности:
Приспособленность к одному фактору среды, например повышенной влажности, не дает организму такой же приспособленности к другим условиям среды (температуре и т.п.). Эта закономерность называется законом относительной независимости адаптации: высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни.
Каждый вид организмов в вечно меняющейся среде жизни по-своему адаптирован. Это выражается сформулированным Л.Г. Раменским в 1924 г. правилом экологической индивидуальности: каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации; двух идентичных видов не существует.
Правило соответствия условий среды обитания генетической предопределенности организма гласит: вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления к ее колебаниям и изменениям.
3. Разрушение озонового экрана земли как последствие антропогенной деятельности
Определение озона
Известно, озон (Oз) - модификация кислорода - обладает большой химической реактивностью и токсичностью. Озон образуется в атмосфере из кислорода при электрических разрядах во время грозы и под действием ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере. Озоновый слой (озоновый экран, озоносфера) располагается в атмосфере на высоте 10-15км с максимумом концентрации озона на высоте 20-25км. Озоновый экран задерживает проникновение к земной поверхности наиболее жестокого УФ-излучения (длина волны 200-320нм), губительного для всего живого. Однако в результате антропогенных воздействий озоновый "зонтик" прохудился и в нем стали появляться озоновые дыры с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона.
Причины возникновения "озоновых дыр"
Озоновые (озонные) дыры являются лишь частью сложной экологической проблемы истощения озонового слоя Земли. В начале 1980-х гг. было отмечено снижение общего содержания озона в атмосфере над районом научных станций в Антарктиде. Так, в октябре 1985г. появились сообщения о том, что концентрация озона в стратосфере над английской станцией Халли-Бей уменьшилась на 40% от ее минимальных значений, а над японской - почти в 2 раза. Это явление и получило название "озоновой дыры". Значительных размеров озоновые дыры над Антарктидой возникали весной 1987, 1992, 1997 гг., когда фиксировалось снижение общего содержания стратосферного озона (ОСО) на 40 - 60%. Весной 1998 г. озоновая дыра над Антарктидой достигла рекордной площади - 26 млн кв.км (в 3 раза больше территории Австралии). А на высоте 14 - 25 км в атмосфере произошло почти полное разрушение озона.
Аналогичные явления отмечались и в Арктике (особенно с весны 1986г.), но размеры озоновой дыры здесь были почти в 2 раза меньше, чем над Антарктикой. В марте 1995г. озоновый слой Арктики был истощен примерно на 50%, причем сформировались "мини-дыры" над северными районами Канады и Скандинавским полуостровом, Шотландскими островами (Великобритания).
В настоящее время в мире имеются около 120 озонометрических станций, в том числе 40 появились с 60-х гг. ХХ в. на территории России. Данные наблюдений наземных станций свидетельствуют, что в 1997 г. практически над всей контролируемой территорией России отмечалось спокойное состояние общего содержания озона.
Для выяснения причин возникновения мощных озоновых дыр именно в околополюсных пространствах в конце ХХ в. были проведены исследования (с применением летающих самолетов-лабораторий) озонового слоя над Антарктидой и Арктикой. Установлено, что, помимо антропогенных факторов (выбросов в атмосферу фреонов, оксидов азота, метилбромида и др.), значительную роль играют природные воздействия. Так, весной 1997 г. в некоторых районах Арктики фиксировалось падение содержания озона в атмосфере до 60%. Причем на протяжении ряда лет темпы истощения озоносферы над Арктикой нарастали даже в условиях, когда концентрация хлорфторуглеродов (ХФУ), или фреонов, в ней оставалось постоянной. По данным норвежского ученого К. Хенриксена, в течение последнего десятилетия в нижних слоях арктической стратосферы формировалась все расширяющаяся воронка холодного воздуха. Она создавала идеальные условия для разрушения молекул озона, которое происходит в основном при весьма низкой температуре (около - 80*С). Аналогичная воронка над Антарктидой - причина возникновения озоновых дыр. Таким образом, причиной озоноразрушительного процесса в высоких широтах (Арктика, Антарктида) могут служить в большей степени именно природные воздействия.
Антропогенная гипотеза разрушения озонового слоя
В 1995 г. ученые - химики Шервуд Роуланд и Марио Молина из Калифорнийского университета в Беркли (США) и ПольКрутцен из Германии были удостоены Нобелевской премии за научную гипотезу, выдвинутую ими еще два десятилетия назад - в 1974 г. Ученые сделали открытие в области химии атмосферы в частности процессов образования и разрушения "озонового слоя". Они пришли к выводу, что под действием солнечных лучей синтетические углеводороды (ХФУ, галоны и др.) разлагаются с выделением атомарного хлора и брома, разрушающего озон в атмосфере.
Фреоны (хлорфторуглероды) - высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества (синтезированы в 1930-х гг.), с 1960-х гг. стали широко применяться в качестве хладагентов (холоры), пенообразователей аэрозолей и др. Фреоны, поднимаясь в верхние слоя атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению, образуя окись хлора, интенсивно разрушающая озон. Продолжительность пребывания фреонов в атмосфере составляет в среднем 50-200 лет. В настоящее время в мире производится более 1,4 млн т фреонов, в том числе на страны ЕЭС приходится 40%, США-35, Японию-12 и Россию - 8%.
Другая группа химических веществ, разрушающих озоновый слой, имеет название галоны, включающие фтор, хлор и йод, причем во многих странах они используются в качестве средств пожаротушения.
В России максимум производства озоноразрушающих веществ (ОРВ) приходится на 1990 г. - 197,5 тыс. т, причем 59% из них использованы внутри страны, а уже в 1996 г. этот показатель составил 32,4 % или 15,4 тыс. т).
Подсчитано, что разовая заправка всего парка действующего в нашей стране холодильного оборудования требует 30-35 тыс. т фреонов.
Разрушению озона в стратосфере помимо ХФУ и галонов способствуют и другие химические соединения, такие как тетрахлорметан, метилхлорформ, метилбромид и др. Причем особую опасность представляет метилбромид, который в атмосфере разрушает озона в 60 раз больше, чем хлорсодержащие фреоны.
В последние годы промышленно развитые страны стали широко применять метилбромид в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями овощей и плодов (Испания, Греция, Италия), в составе средств пожаротушения, добавок к средствам дезинфекции и др. Ежегодно увеличивается производство метилбромида на 5 - 6 %, причем более 80% дают страны ЕЭС, США. Это токсичное химическое вещество не только существенно разрушает озоновый слой, но и является весьма вредным для здоровья человека. Так, в Нидерландах запретили использование метилбромида из-за отравления людей питьевой водой, в которую этот компонент попал со сточными водами.
Еще одним из антропогенных факторов разрушения озонового слоя Земли являются выбросы сверхзвуковых самолетов и космических аппаратов. Впервые гипотеза о значительном воздействии выхлопных газов авиационных двигателей на атмосфере была высказана в 1971 г. американским химиком Г. Джонстоном. Он предположил, что оксиды азота, содержащиеся в выбросах большого количества сверхзвуковых транспортных самолетов, могут вызвать уменьшение содержания озона в атмосфере. Это было подтверждено исследованиями последних лет. В частности, в нижней стратосфере (на высоте 20 - 25 км), где располагается зона полетов сверхзвуковой авиации, озон действительно разрушается в результате увеличения концентрации оксидов азота [Природа, 2001,№5]. Тем более что в конце ХХ в. объем пассажирских перевозок в мире ежегодно возрастал в среднем на 5% и, следовательно, увеличивались выбросы продуктов сгорания в атмосфере на 3,5-4,5%. Такие темпы роста ожидаются и в первые десятилетия ХХI в. Подсчитано, что двигатель сверхзвукового самолета производит около 50г оксидов азота на 1 кг использованного топлива. В продуктах сгорания авиационных двигателей, кроме оксидов азота и углерода, содержится значительное количество азотной кислоты, сернистых соединений и частиц сажи, также оказывающих разрушительное воздействие на озоновый слой. Положение усугубляется еще и тем, что сверхзвуковые самолеты движутся на высотах, где концентрация стратосферного озона максимальна.
Помимо сверзвуковых самолетов, оказывающих негативное воздействие на озоновый слой нашей планеты, имеют существенное значение космические аппараты (сейчас в мире более 400 действующих спутников). Установлено, что в продуктах выбросов жидкостных ("Протон", Россия) и твердотопливных ("Шаттл", США) спутников содержится хлор, разрушающий стратосферный озон. Так, один запуск американского космического корабля типа "Шаттл" приводит к гашению 10 млн. т озона. Ракета "Энергия" при 12-залповом пуске через 24 дня уменьшает содержание озона до 7% в пределах вертикального столба атмосферы (диаметром 550 км). Поэтому в США интенсивно ведутся разработки нового экологически чистого ракетного топлива, в состав которого входят перекись водорода (H2O2) и спирт (катализатор), в результате распада первого компонента на воду и атомарный кислород выделяется энергия.
Итак, приведенные данные показывают, что с каждым годом увеличивается количество антропогенных факторов (фреоны, метилбромид, сверхзвуковые самолеты, космические аппараты и др.), способствующих разрушению озонового слоя Земли. Однако одновременно имеются интересные дополнения и к естественным причинам, способствующим истощению слоя озона и возникновению озоновых дыр в околополярных пространствах.
Заключение
Окружающая среда состоит из ранее заданных природных условий и обстоятельств, возникших как помимо человеческой деятельности, так и из условий обстоятельств, созданных человеческой деятельностью. Экологические законы - это группа закономерностей, которые определяют взаимосвязь отдельных, биологических систем (в частности человека) и их группировок с окружающей средой. Понимание закономерностей планетарного развития биосферы и космофизической зависимости ее составляющих формирует современное экологическое мировоззрение, необходимое для сохранности жизни на Земле.
Человеку необходимо осознавать ведущую роль общественной системы в определении характера использования природных ресурсов, непрерывного производственного овладения формами движения материи, оптимальную скоординированность состояний природной среды с характером и темпом развития производства, естественнонаучное расширение и волнообразный процесс ноосферы.
Таким образом, совокупность базовых экологических законов свидетельствует, что спасти Биосферу возможно лишь путем коренного изменения сознания отдельных людей и общества в целом, развития основ современной духовности, морали и отношение общества к природе. Следует помнить, что природа живая и наше бездумное вмешательство в ее неизвестные процессы обусловливают необратимый негативный ответ в виде экологических катастроф.
Поэтому очень важно развивать экологическое сознание и понимание того, что пренебрежение экологическими закономерностями жизни природы ведет к разрушению биологической системы, от которой зависит жизнь человека на Земле.
Список используемых источников
1. Акимова Т.А. Экология: Человек - Экономика - Биота - Среда: Учебник для студ. вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ, 2006. - 495 с.
Потапов А.Д. Экология: учебник для студ. вузов. - 2-е изд., испр. и доп. М.: Высшая школа, 2004. - 528 с.
Стадницкий Г. В Экология: учебник для студ. вузов. - 6-е изд. СПб.: Химиздат, 2001. - 287 с.
Экология: конспект лекций / под ред.А.Н. Королева. Таганрог: Изд - во ТРТУ, 2004. - 168 с.
5. Экологический портал -
Экология на human-ecology.ru - http://human-ecology.ru/index/0-32
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Классификация экологических факторов
Экологические факторы окружающей среды. Абиотические факторы
1. Экологический фактор - это любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное воздействие на живой организм хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, или любое условие среды, на которое организм отвечает приспособительными реакциями.
В общем случае фактор - это движущая сила какого-либо процесса или влияющее на организм условие. Окружающая среда характеризуется огромным разнообразием экологических факторов, в том числе и пока не известных. Каждый живой организм в течение всей своей жизни находится под воздействием множества экологических факторов, различающихся происхождением, качеством, количеством, временем воздействия, т.е. режимом. Таким образом, окружающая среда - это фактически набор воздействующих на организм экологических факторов.
Но если окружающая среда, как мы уже сказали, не имеет количественных характеристик, то каждый отдельный фактор (будь то влажность, температура, давление, белки пищи, количество хищников, химическое соединение в воздухе и т. п.) характеризуется мерой и числом, т. е. его можно измерить во времени и пространстве (в динамике), сравнить с каким-либо эталоном, подвергнуть моделированию, предсказанию (прогнозу) и в конечном счете изменить в заданном, направлении. Управлять можно только тем, что имеет меру и число.
Для инженера предприятия, экономиста, санитарного врача или следователя прокуратуры требование "охранять окружающую среду" не имеет смысла. А если задача или условие выражены в количественной форме, в виде каких-либо величин или неравенств (например: С i < ПДК i или M i < ПДВ i то они вполне понятны и в практическом, и в юридическом отношении. Задача предприятия - не "охранять природу", а с помощью инженерных или организационных приемов выполнить названное условие, т. е. именно таким путем управлять качеством окружающей среды, чтобы она не представляла угрозы здоровью людей. Обеспечение выполнения этих условий - задача контролирующих служб, а при невыполнении их предприятие несет ответственность.
Классификация экологических факторов
Любая классификация какого-либо множества это метод его познания или анализа. Предметы и явления можно классифицировать по различным признакам, исходя из поставленных задач. Из многих существующих классификаций экологических факторов для задач данного курса целесообразно использовать следующую (рис. 1).
Все экологические факторы в общем случае могут быть сгруппированы в две крупные категории: факторы неживой, или косной, природы, называемые иначе абиотическими или абиогенными, и факторы живой природы - биотические , или биогенные . Но по своему происхождению обе группы могут быть как природными , так и антропогенными , т. е. связанными с влиянием человека. Иногда различают антропические и антропогенные факторы. К первым относят лишь прямые воздействия человека на природу (загрязнение, промысел, борьбу с вредителями), а ко вторым - преимущественно косвенные последствия, связанные с изменением качества окружающей среды.
Рис. 1. Классификация экологических факторов
Человек в своей деятельности не только меняет режимы природных экологических факторов, но и создает новые, например, синтезируя новые химические соединения - ядохимикаты, удобрения, лекарства, синтетические материалы и др. В числе факторов неживой природы присутствуют физические (космические, климатические, орографические, почвенные) и химические (компоненты воздуха, воды, кислотность и иные химические свойства почвы, примеси промышленного происхождения). К биотическим факторам относятся зоогенные (влияние животных), фитогенные (влияние растений), микробогенные (влияние микроорганизмов). В некоторых классификациях к биотическим факторам относят и все антропогенные факторы, включая физические и химические.
Наряду с рассмотренной, существуют и другие классификации экологических факторов. Выделяют факторы зависимые и независимые от численности и плотности организмов . Например, климатические факторы не зависят от численности животных, растений, а массовые заболевания, вызываемые патогенными микроорганизмами (эпидемии) у животных или растений, безусловно, связаны с их численностью: эпидемии возникают при тесном контакте между индивидуумами или при их общем ослаблении из-за нехватки корма, когда возможна быстрая передача болезнетворного начала от одной особи к другой, а также утрачена сопротивляемость к патогену.
Макроклимат от численности животных не зависит, а микроклимат может существенно изменяться в результате их жизнедеятельности. Если, например, насекомые при их высокой численности в лесу уничтожат большую часть хвои или листвы деревьев, то здесь изменится ветровой режим, освещенность, температура, качество и количество корма, что скажется на состоянии последующих поколений тех же или других, обитающих здесь животных. Массовые размножения насекомых привлекают насекомых-хищников и насекомоядных птиц. Урожаи плодов и семян влияют на изменение численности мышевидных грызунов, белки и ее хищников, а также многих птиц, питающихся семенами.
Можно делить все факторы на регулирующие (управляющие) и регулируемые (управляемые), что также легко понять в связи с приведенными выше примерами.
Оригинальную классификацию экологических факторов предложил А. С. Мончадский. Он исходил из представлений о том, что все приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам связаны со степенью постоянства их воздействия, или, иначе говоря, с их периодичностью. В частности, он выделял:
1. первичные периодические факторы (те, которым свойственна правильная периодичность, связанная с вращением Земли: смена времен года, суточная и сезонная смена освещенности и температуры); эти факторы изначально присущи нашей планете и зарождающаяся жизнь должна была сразу к ним приспосабливаться;
2. вторичные периодические факторы (они являются производными от первичных); к ним относятся все физические и многие химические факторы, например влажность, температура, осадки, динамика численности растений и животных, содержание растворенных газов в воде и др.;
3. непериодические факторы, которым не свойственна правильная периодичность (цикличность); таковы, например, факторы, связанные с почвой, или разного рода стихийные явления.
Разумеется, "непериодично" лишь само тело почвы, подстилающие ее грунты, а динамика температуры, влажности и многих других свойств почвы также связана с первичными периодическими факторами.
Антропогенные факторы однозначно относятся к непериодическим. В числе таких факторов непериодического действия прежде всего - загрязняющие вещества, содержащиеся в промышленных выбросах и сбросах. К природным периодическим и непериодическим факторам живые организмы в процессе эволюции способны вырабатывать адаптации (например, спячка, зимовка и т. п.), а к изменению содержания примесей в воде или воздухе растения и животные, как правило, не могут приобрести и наследственно закрепить соответствующие адаптации. Правда, некоторые беспозвоночные, например растениеядные клещи из класса паукообразных, имеющие в условиях закрытого грунта десятки поколений в году, способны при постоянном применении против них одних и тех же ядохимикатов образовывать устойчивые к яду расы путем отбора особей, наследующих такую устойчивость.
Необходимо подчеркнуть, что к понятию "фактор" следует подходить дифференцированно, учитывая, что факторы могут быть как прямого (непосредственного), так и опосредованного действия. Различия между ними состоят в том, что фактор прямого действия можно выразить количественно, в то время как факторы непрямого действия - нет. Например, климат или рельеф могут быть обозначены в основном словесно, но они определяют режимы факторов прямого действия - влажности, длины светового дня, температуры, физико-химических характеристик почвы и др.
Термин «экология» ввел в науку немецкий ученый Эрнст Геккель (E. Haeckel) в 1869 г. Формальное определение дать довольно легко, поскольку слово «экология» происходит от греческих слов «ойкос» - жилище, убежище и «логос» - наука. Поэтому экологию часто определяют как науку об отношениях между организмами или группами организмов (популяций, видов) с окружающей их средой. Иначе говоря, предмет экологии - это совокупность связей между организмами и условиями их существования (средой), от которых зависит успешность их выживания, развития, размножения, распространения, конкурентоспособность.
В ботанике термин «экология» первым употребил датский ботаник Е. Варминг в 1895 г.
В широком смысле под средой (или окружающей средой) понимают совокупность материальных тел, явлений и энергии, волн и полей, так или иначе влияющих на . Однако разные среды далеко не одинаково воспринимаются живым организмом, поскольку значение их для жизни различно. Среди них есть практически безразличные для растений, например - инертные газы, содержащиеся в атмосфере. Другие элементы среды, напротив, оказывают заметное, часто - существенное влияние на растение. Их называют экологическими факторами. Таковыми являются, например, свет, вода в атмосфере и в почве, воздух, засоление грунтовых вод, естественная и искусственная радиоактивность и т. д.). С углублением наших знаний перечень экологических факторов расширяется, поскольку в ряде случаев обнаруживается, что растения способны реагировать на элементы среды, ранее считавшиеся безразличными (например, магнитное поле , сильное шумовое воздействие, электрические поля и т. д.).
Классификация экологических факторов
Классифицировать экологические факторы можно в разных понятийных системах координат.
Различают, например, ресурсные и нересурсные экологические факторы. Ресурсные факторы - это вещество и (или) , вовлекаемые в биологический круговорот растительным сообществом (например, свет, вода, содержание в почве элементов минерального питания и т. д.); соответственно, нересурсные факторы не участвуют в циклах трансформации вещества и энергии и экосистемах (например, рельеф).
Различают также прямодействующие и косвеннодействующие экологические факторы. Первые непосредственно влияют на обмен веществ, формообразовательные процессы, рост и развитие (свет), вторые влияют на организм через изменение других факторов (например, трансабиотические и трансбиотические формы взаимодействий). Поскольку в разных экологических ситуациях многие факторы могут выступать и как прямодействующие, и как косвеннодействующие, лучше говорить не о разделении факторов, а о прямом или косвенном их действии на растение.
Наиболее широко используется классификация экологических факторов по их происхождению и характеру действия:
I. Абиотические факторы:
а) климатические - свет, тепло, (его состав и движение), влага (включая осадки в разных формах, влажность воздуха) и т. д.;
б) эдафические (или почвенно-грунтовые) - физические (гранулометрический состав, водопроницаемость) и химические (рН почв, содержание в них элементов минерального питания, макро- и микроэлементов и т.д.) свойства почв;
в) топографические (или орографические) - условия рельефа.
II. Биотические факторы:
а) фитогенные - прямое и косвенное воздействие растений-сообитателей;
б) зоогенные - прямое и косвенное влияние животных (поедание, вытаптывание, деятельность землероев, опыление, распространение плодов и семян);
в) прокариотогенные факторы - влияние бактерий и сине-зелёных водорослей (отрицательное воздействие фитопатогенных бактерий, положительное воздействие свободноживущих и симбиотически связанных азотфиксирующих бактерий, актиномицетов и цианей);
Подробнее о биотических факторах можно почитать с статье
Специфические формы воздействия человека на растительный покров, их направленность, масштабы позволяют выделять и антропогенные факторы.
III. Антропогенные факторы, связанные с многосторонними формами сельскохозяйственной деятельности человека (выпас, сенокошение), его промышленной деятельности (выбросы газов в , строительство, добыча полезных ископаемых, транспортные коммуникации и трубопроводы), с освоением космоса и рекреационной деятельностью.
В эту простейшую классификацию укладываются далеко не все, а только главные экологические факторы. Есть и другие, менее существенные для жизни растения (атмосферное электричество, магнитное поле Земли, ионизирующее излучение и др.).
Заметим, однако, что приведенное деление в определенной степени условно, поскольку (и это важно подчеркнуть как в теоретическом, так и практическом отношении) среда воздействует на организм как единое целое, а разделение факторов и их классификация есть не что иное, как методический прием, облегчающий познание и изучение закономерностей взаимосвязей растения и среды.
Общие закономерности влияния экологических факторов
Влияние экологических факторов на живой организм весьма многообразно. Одни факторы - ведущие - оказывают более сильное воздействие, другие - второстепенные - действуют слабее; одни факторы влияют на все стороны жизни растения, другие - на какой-либо определенный жизненный процесс. Тем не менее можно представить общую схему зависимости реакции организма под воздействием экологического фактора.
Если по оси абсцисс (X) будет отложена интенсивность фактора в своем физическом выражении ( , концентрация солей в почвенном растворе, рН, освещенность местообитания и т. д.), а по оси ординат (У) - реакция организма или популяции на этот фактор в ее количественном выражении (интенсивность того или иного физиологического процесса - фотосинтеза, поглощения воды корнями, роста и т. д.; морфологическая характеристика - высота растения, размеры листьев, количество продуцируемых семян и т. д.; популяционные характеристики - численность особей на единицу площади, частота встречаемости и т. д.), мы получаем следующую картину.
Диапазон действия экологического фактора (область толерантности вида) ограничен точками минимума и максимума, которые соответствуют крайним значениям данного фактора, при котором возможно существование растения. Точка на оси абсцисс, соответствующая наилучшим показателям жизнедеятельности растения, означает оптимальную величину фактора - это точка оптимума. В связи с трудностями в точном определении этой точки обычно говорят о некоторой зоне оптимума, или о зоне комфорта. Точки оптимума, минимума и максимума составляют три кардинальные точки, определяющие возможности реакции вида на данный фактор. Крайние участки кривой, выражающие состояние угнетения при резком недостатке или избытке фактора, называют областями пессимума; им соответствуют пессимальные значения фактора. Вблизи критических точек лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности - летальные.
Виды различаются друг от друга положением оптимума в пределах градиента экологического фактора. Например, отношение к теплу у арктических и тропических видов. Различной может быть и ширина диапазона действия фактора (или зоны оптимума). Есть виды, например, для которых оптимален низкий уровень освещенности (пещерные мохообразные) либо относительно высокий уровень освещенности (высокогорные альпийские растения). Но известны и виды, одинаково хорошо растущие и при полной освещенности, и при значительном затенении (например, ежа сборная - Dactylis glomerata).
Точно так же одни луговые травы предпочитают почвы с определенным, довольно узким диапазоном кислотности, другие хорошо растут в широком диапазоне рН - от сильнокислого до щелочного. Первый случай свидетельствует об узкой экологической амплитуде растений (они являются стенобионтными или стенотопными), второй - о широкой экологической амплитуде (растения эврибионтные или эвритопные). Между категориями эвритопности и стенотопности лежит ряд промежуточных качественных категорий (гемиэвритопные, гемистенотопные).
Широта экологической амплитуды по отношению к разным экологическим факторам часто бывает различной. Можно быть стенотопным по отношению к одному фактору и эвритопным по отношению к другому: например, растения могут быть приурочены к узкому диапазону температур и широкому диапазону солености.
Взаимодействие экологических факторов
Факторы среды воздействуют на растение совместно и одновременно, причем действие одного фактора в большой степени зависит от «экологического фона», т. е. от количественного выражения других факторов. Это явление взаимодействия факторов хорошо видно на примере эксперимента с водным мхом Fontinalis. В этом эксперименте наглядно показано, что освещенность по-разному действует на интенсивность фотосинтеза при разном содержании СO 2 в .
Эксперимент также показывает, что сходный биологический эффект может получиться при частичной замене действия одного фактора другим. Так, одна и та же интенсивность фотосинтеза может быть достигнута или увеличением освещенности до 18 тысяч люкс, или, при более низкой освещенности - повышением концентрации СO 2 .
Здесь проявляется частичная взаимозаменяемость действия одного экологического фактора другим. В то же время ни один из необходимых экологических факторов не может быть заменен другим: зеленое растение нельзя вырастить в полной темноте даже при очень хорошем минеральном питании или на дистиллированной воде при оптимальном тепловом режиме. Иными словами, существует частичная заменяемость основных экологических факторов и вместе с тем их полная незаменимость (в этом смысле иногда говорят также об их равнозначной важности для жизни растения). Если значение хотя бы одного из необходимых факторов выходит за пределы диапазона толерантности (ниже минимума и выше максимума), то существование организма становится невозможным.
Лимитирующие факторы
В случае, если какой-либо из факторов, составляющих условия существования, имеет пессимальное значение, то он ограничивает действие остальных факторов (сколь бы благоприятными они ни были) и определяет конечный результат действия среды на растение. Изменить этот конечный результат можно только воздействуя на ограничивающий фактор. Этот «закон ограничивающего фактора» вначале был сформулирован в агрохимии немецким агрохимиком, одним из основоположников агрохимии Юстусом Либихом в 1840 году и поэтому часто называется законом Либиха.
Им было замечено, что при недостатке в почве или питательном растворе одного из необходимых химических элементов, никакие удобрения, содержащие другие элемёнты, на растение не действуют, и только добавление «ионов в минимуме» дает прибавку урожая. Многочисленные примеры действия ограничивающих факторов не только в эксперименте, но и в природе показывают, что это явление имеет общеэкологическое значение. Один из примеров действия «закона минимума» в природе - угнетение травянистых растений под пологом буковых лесов, где при оптимальном тепловом режиме, повышенном содержании углекислого газа, достаточно богатых почвах и прочих оптимальных условиях возможности развития трав ограничиваются резким недостатком света.
Выявление «факторов в минимуме» (и в максимуме) и устранение их ограничивающего действия, иными словами, оптимизация среды для растений, составляют важную практическую задачу в рациональном использовании растительного покрова.
Аутэкологический и синэкологический ареал и оптимум
Отношение растений к экологическим факторам тесно зависит от влияния других растений-сообитателей (в первую очередь - от конкурентных отношений с ними). Часто имеет место ситуация, когда вид может успешно произрастать в широком диапазоне действия какого-либо фактора (что определяется экспериментально), но присутствие сильного конкурента вынуждает его ограничиваться более узкой зоной.
Например, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris) имеет очень широкий экологический ареал по отношению к почвенным факторам, но в таежной зоне образует леса главным образом на сухих бедных песчаных почвах или на сильно переувлажненных торфяниках, т. е. там, где отсутствуют конкурирующие древесные породы. Здесь реальное положение оптимумов и областей толерантности различно для растений, испытывающих или не испытывающих биотическое влияние. В связи с этим различают экологический оптимум вида (при отсутствии конкуренции) и фитоценотический оптимум, соответствующий реальной позиции вида в ландшафте или биоме.
Кроме положения оптимума различают пределы выносливости вида: экологический ареал (потенциальные пределы распространения вида, определяемые только его отношением к данному фактору) и реальный фитоценотический ареал.
Часто в этом контексте говорят о потенциальном и реальном оптимуме и ареале. В зарубежной литературе пишут также о физиологическом и экологическом оптимуме и ареале. Лучше говорить об аутэкологическом и синэкологическом оптимуме и ареале вида.
У разных видов соотношение экологического и фитоценотического ареалов различно, но всегда экологический шире фитоценотического. В результате взаимодействия растений происходит сужение ареала и часто смещение оптимума.
Сообществ) между собой и со средой обитания. Данный термин был впервые предложен немецким биологом Эрнстом Геккелем в 1869 г. Как самостоятельная наука она выделилась в начале XX века наряду с физиологией, генетикой и другими. Область приложения экологии – это организмы, популяции и сообщества. Экология рассматривает их как живой компонент системы, которую называют экосистемой. В экологии понятия популяции – сообщества и экосистемы имеют четкие определения.
Популяция (с точки зрения экологии) – это группа особей одного вида, занимающая определенную территорию и, обычно, в той или иной степени изолированная от других сходных групп.
Сообщество – это любая группа организмов различных видов, обитающих на одной площади и взаимодействующих друг с другом посредством трофических (пищевых) или пространственных связей.
Экосистема – это сообщество организмов с окружающей их средой, взаимодействующих между собой и образующих экологическую единицу.
Все экосистемы Земли объединяются в или экосферу. Понятно, что совершенно невозможно охватить исследованиями всю биосферу Земли. Поэтому точкой приложения экологии является экосистема. Однако, экосистема, как видно из определений состоит из популяций, отдельных организмов и всех факторов неживой природы. Исходя из этого возможно несколько различных подходов в изучении экосистем.
Экосистемный подход .При экосистемном подходе экологом изучаются поток энергии и в экосистеме. Наибольший интерес в данном случае представляют собой взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. Этот подход позволяет объяснить сложную структуру взаимосвязей в экосистеме и дать рекомендации по рациональному природопользованию.
Изучение сообществ
. При этом подходе подробно изучается видовой состав сообществ и факторы, ограничивающие распространение конкретных видов. В данном случае исследуются четко различимые биотические единицы (луг, лес, болото и т.д.).
подход
. Точкой приложения данного подхода, как явствует из названия, является популяция.
Изучение местообитаний
. В данном случае изучается относительно однородный участок среды, где живет данный организм. Отдельно, как самостоятельное направление исследований он обычно не применяется, но дает необходимый материал для понимания экосистемы в целом.
Следует отметить, что все перечисленные выше подходы в идеале должны применяться в комплексе, но в настоящий момент это практически невозможно из-за значительных масштабов исследуемых объектов и ограниченности количества полевых исследователей.
Экология как наука использует разнообразные методы исследования, позволяющие получить объективную информацию о функционировании природных систем.
Методы экологических исследований:
- наблюдение
- эксперимент
- учет численности популяции
- метод моделирования
Загрузка...
