Вариант 5.

Организм и среда

План:

1. Экологические факторы среды.

2. Особенности адаптации организмов к факторам среды.

3. Экологические группы организмов.

4. Лимитирующие факторы. Законы минимума, максимума, толерантности.

1. Экологические факторы среды.

Среда обитания организма – это совокупность абиотических и биотических условий его жизни. Свойства среды постоянно меняются, и любое существо, чтобы выжить, приспосабливаться к этим изменениям

Земной биотой освоены три основные среды обитания: водная, наземно-воздушная и почвенная вместе с горными породами приповерхностной части литосферы. Биологи ещё часто выделяют четвёртую среду жизни – сами живые организмы, заселённые паразитами и симбионтами.

Воздействие среды воспринимается организмами через посредство факторов среды, называемых экологическими.

Рис. 1 Классификация Экологических факторов (по Ю. Одуму, 1975).

Абиотические

факторы

Природная

среда

Биотические

факторы

а

температура

а

а

Факторы взаимодействия

между особями одного

и того же вида

а

а

групповой и

массовый эффект

а

свет

внутривидовая

конкуренция

вода

Физические и химические

факторы

нейтрализм

влажность

межвидовая

конкуренция

биогенные

вещества

мутуализм

атмосферные

газы

Факторы взаимодействия

между особями

различных видов

симбиоз

течения и

ветры

комменсализм

пожары

аменсализм

почвы

Эдафические

факторы

паразитизм

экологические

факторы почв

хищничество

Экологические факторы – это определённые условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные (рис. 1).

Абиотическими факторами называют всю совокупность факторов неорганической среды, влияющих на жизнь и распространение животных и растений. Среди них различают физические, химические и эдафические.

Физические факторы – это те, источником которых служит физическое состояние или явление (механическое, волновое и др.). Например, температура, если она высокая – будет ожог, если очень низкая – обмораживание. На действие температуры могут повлиять и другие факторы: в воде – течение, на суше – ветер и влажность, и т.п.

Химические факторы – это те, которые происходят от химического состава среды. Например, солёность воды, если она высокая, жизнь в водоёме может вовсе отсутствовать (Мёртвое море), но в то же время в пресной воде не могут жить большинство морских организмов. От достаточности содержания кислорода зависит жизнь животных на суше и в воде, и т.п.

Эдафические факторы, т.е. почвенные, - это совокупность химических, физических и механических свойств почв и горных пород, оказывающих воздействие как на организмы, живущие в них, т.е. для которых они являются средой обитания, так и на корневую систему растений. Хорошо известны влияния химических компонентов (биогенных элементов), температуры, влажности, структуры почв, содержания гумуса и т.п. на рост и развитие растений.

Однако не только абиотические факторы влияют на организмы. Организмы образуют сообщества, где им приходится бороться за пищевые ресурсы, за обладание определёнными пастбищами или территорией охоты, т.е. вступать в конкретную борьбу между собой. При этом проявляются хищничество, паразитизм и другие сложные взаимоотношения как внутривидовом, так и, особенно, на межвидовом уровнях. Это уже факторы живой природы, или биотические факторы.

Биотические факторы – совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других, а также на неживую среду обитания. В последнем случае речь идёт о способности самих организмов в определённой степени влиять на условия обитания.

Например, в лесу под влиянием растительного покрова создаётся особый микроклимат, или микросреда, где по сравнению с открытым местообитанием создаётся свой температурно-влажностной режим: зимой здесь на несколько градусов теплее, летом – прохладнее и влажнее. Особая микросреда создаётся также в дуплах деревьев, в норах, в пещерах и т.п.

Особо следует отметить условия микросреды под снежным покровом, которая имеет уже чисто абиотическую природу. В результате отепляющего действия снега, которое наиболее эффективно при толщине не менее 50-70 см, в его основании, примерно в 5-сантиметровом слое, живут зимой мелкие животные-грызуны, так как температурные условия для них здесь благоприятны (от 0 до -2 ⁰С). Благодаря этому же эффекту сохраняются под снегом всходы озимых злаков – ржи, пшеницы. В снегу от сильных морозов прячутся и крупные животные.

Внутривидовые взаимодействия между особями одного и того же вида складываются из группового и массового эффектов внутривидовой конкуренции. Групповой и массовый эффекты – термины, предложенные Грассе (1944), обозначают объединение животных одного вида в группы по две или более особей и эффект, вызванный перенаселением среды. В настоящее время чаще всего эти эффекты называются демографическими факторами. Они характеризуют динамику численности и плотность групп организмов на популяционном уровне, в основе которой лежит внутривидовая конкуренция, которая в корне отличается от межвидовой. Она проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих гнездовий и известную площадь в округе. Таковы многие птицы и рыбы.

Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущих рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно. Возможны типы комбинаций и отражают различные виды взаимоотношений:

нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают никакого действия друг на друга;

конкуренция – каждый из видов оказывает на другой неблагоприятное воздействие;

мутуализм – виды не могут существовать друг без друга;

протокооперация (содружество) – оба вида образуют сообщество, но могут существовать и раздельно, хотя сообщество приносит им обоим пользу;

комменсализм – один вид, комменсал, извлекает пользу от сожительства, а другой вид – хозяин не имеет никакой выгоды (взаимная терпимость);

аменсализм – один вид, аменсал, испытывает от другого угнетение роста и размножения;

паразитизм – паразитический вид тормозит рост и размножение своего хозяина и даже может вызвать его гибель;

хищничество – хищный вид питается своей жертвой.

Межвидовые отношения лежат в основе существования биотических сообществ (биоценозов).

Антропогенные факторы – факторы, порождённые человеком и воздействующие на окружающую среду (загрязнение, эрозия почв, уничтожение лесов и т.д.).

Среди абиотических факторов довольно часто выделяют климатические (температура, влажность воздуха, ветер и др.) и гидрографические – факторы водной среды (вода, течение, солёность и др.).

Большинство факторов качественно и количественно изменяются во времени. Например, климатические – в течение суток, сезона, по годам ( температура, освещённость и др.).

Факторы, изменение которых во времени повторяются регулярно, называют периодическими. К ним относятся не только климатические, но и некоторые гидрографические – приливы и отливы, некоторые океанские течения. Факторы, возникающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищника и т.п.) называются непериодическими

Подразделение факторов на периодические и непериодические имеет очень важное значение при изучении приспособленности организмов к условиям жизни.

2.Особенности адаптации организмов к факторам среды.

Адаптация (лат. «приспособление») – приспособление организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций) и их органов. Адаптация всегда развивается под воздействием трёх основных факторов – изменчивости, наследственности и естественного отбора (равно как и искусственного – осуществляемого человеком).

Основные адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно обусловлены. Они формировались на историко-эволюционном пути биоты и изменялись вместе с изменчивостью экологических факторов. Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные.

Первичные – это те факторы, которые существовали на Земле ещё до возникновения жизни: температура, освещённость, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная.

Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от изменения температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных и адаптация к ним не всегда чётко выражена.

Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызвать болезни или даже смерть живого организма. Человек использовал это в своих интересах, искусственно вводя непериодические факторы: введением химической отравы уничтожает вредные для него организмы: паразитов, вредителей сельхозкультур, болезнетворных бактерий, вирусов и т.п. Но оказалось, что длительное воздействие этого фактора также может вызвать к нему адаптацию: насекомые адаптировались к ДДТ, бактерии и вирусы – к антибиотикам, и.т.д.

Источником адаптации являются генетические изменения в организме – мутации, возникающие как под влиянием естественных факторов на историко-эволюционном этапе, так и в результате искусственного влияния на организм. Мутации разнообразны и их накопление может даже привести к дезинтеграционным явлениям, но благодаря отбору мутации и их комбинирование приобретают значение «ведущего творческого фактора адаптивной организации живых форм»

На историко-эволюционном пути развития на организмы действуют абиотические и биотические факторы в комплексе. Известны как успешные адаптации организмов к этому комплексу факторов, так и «безуспешные». Т.е. вместо адаптации вид вымирает.

Прекрасный пример успешной адаптации – эволюция лошади в течении примерно 60 млн. лет от низкорослого предка до современного и красивейшего быстроногого животного с высотой в холке до 1,6 м. Противоположный этому пример – вымирание мамонтов. Высокоаридный. субарктический климат последнего оледенения привёл к исчезновению растительности, которой питались эти животные, кстати, хорошо приспособленные к низким температурам. Кроме того, высказываются мнения, что в исчезновении мамонта «повинен» и первобытный человек, которому тоже надо было выжить: мясо мамонтов употреблялось им в качестве пищи, а шкура – спасала от холода.

В приведённом примере с мамонтами недостаток растительной пищи вначале ограничивал количество мамонтов, а её исчезновение привело к их гибели. Растительная пища выступала здесь в виде лимитирующего фактора. Эти факторы играют важнейшую роль в выживании и адаптации организмов.

3.Экологические группы организмов.

В экологии организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой, как абиотической, так и биотической. В этом случае в наше поле зрения попадает такая совокупность, как биологический вид, состоящий из сходных особей, которые, тем не менее, как и индивидуумы отличаются друг от друга. Они точно так же непохожи, как непохож один человек на другого, тоже относящиеся к одному виду. Но всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже близкородственных, объединённых в один род, не говоря уже о семействе и более крупных таксонах, объединяющих ещё более «далёких родственников».

Поскольку каждый отдельный индивид (особь) имеет свои специфические особенности, то и отношение их к состоянию среды, к воздействию её факторов различное. Например, повышение температуры часть особей может не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выживает за счёт других, более приспособленных.

Популяция – это совокупность особей одного вида. Генетически обычно добавляют как обязательный момент – способность этой совокупности к самовоспроизведению. Экологи же, учитывая обе эти особенности, подчеркивают некую изолированность в пространстве и во времени аналогичных совокупностей одного и того же вида.

Изолированность в пространстве и во времени аналогичных популяций отражает реальную природную структуру биоты. В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому изучать приходится некую видовую группировку в пределах определённой территории.

Некоторые из группировок достаточно хорошо приспосабливаются к местным условиям, образуя так называемый экотип. Эта даже небольшая группа особей, связанных между собой генетически, может дать начало небольшой популяции, причём весьма устойчивой достаточно длительное время. Этому способствуют адаптивность особей к абиотической среде, внутривидовая конкуренция и др.

Однако настоящих одновидовых группировок и поселений в природе не существует, и мы обычно имеем дело с группировками, состоящими из многих видов. Такие группировки называются биологическими сообществами, или биоценозами.

Биоценоз – совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных.

Термин «биоценоз» впервые применил Мебиус (1877), изучая группу организмов устричной банки, т.е. с самого начала это сообщество организмов было ограничено неким «географическим» пространством, в данном случае границами отмели. В дальнейшем это пространство было названо биотопом, по которым понимаются условия окружающей среды на определённой территории: воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы. Именно в этой окружающей среде существуют растительность, животный мир и микроорганизмы, составляющие биоценоз.

Понятно, что компоненты биотопа не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют между собой, создавая определённую биологическую систему – биогеоценоз. В этой системе совокупность абиотических и биотических компонентов имеет «…свою, особую специфику взаимодействий» и «определённый тип обмена веществами и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющие собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии».

Особое значение для выделения экосистем имеют трофические, т.е. пищевые, взаимоотношения организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом.

Прежде всего все организмы делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные (доядерные организмы - прокариоты) организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым, создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зелёные растения суши и водной среды, синезеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии и др.

Гетеротрофные (ядерные организмы - эукариоты) организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мёртвую органику, называются сапрофитами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счёт живых тканей – паразитами (например, клещи).

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические взаимодействия, тем самым выполняя важнейшие экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производит продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют её в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты – производители продукции, которой потом питаются все остальные организмы, - это наземные зелёные растения, микроскопические морские и пресноводные водоросли, производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы – это потребители органических веществ. Среди них есть животные, употребляющие только растительную пищу - травоядные (корова), плотоядные (хищники), а также употребляющие и то и другое – «всеядные» (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) – восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO_2., NO₂ и H₂O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они тем, самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально это те же самые консументы, поэтому их часто называют микроконсументами.

4. Лимитирующие факторы. Законы минимума, максимума, толерантности.

На организм действует множество экологических факторов. Если концентрация факторов приближается к пределам устойчивости к нему организма, то такой фактор становится лимитирующим.

Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю.Либих в середине 19 века. Экспериментируя с химическими удобрениями, заметил, что ограничение дозы любого из них оказывает одинаковое влияние на растение – приводит к замедлению его роста, угнетению. Он установил «закон минимума»: если в ряду большого числа факторов, влияющих на организм, какой-либо находится в дефиците (минимуме), то именно он становится определяющим (лимитирующим) для организма.

Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток факторов, таких как тепло, свет, влажность. Представление о лимитирующем влиянии максимума, наравне с минимумом ввёл В. Шелфорд, и оно носит название «закон максимума».

Что касается закона минимума Ю.Либиха, то он имеет ограниченное действие и только на уровне химических веществ. Р.Митчерлих показал, что урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений, включая сюда температуру, влажность, освещённость и т.д.

Различия в совокупном и изолированном действиях относятся и к другим факторам. Например, действие отрицательных температур усиливается ветром и высокой влажностью воздуха, но, с другой стороны, высокая влажность ослабляет действие высоких температур, и т.д. Но несмотря на взаимовлияние факторов, всё-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В.Р.Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменён другим. Например, нельзя действие влажности (воды) заменить действием углекислого газа или солнечного света и т.д.

Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В.Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности.

Относительно действия одного фактора можно проиллюстрировать этот закон так: некий организм способен существовать при температуре от -5⁰С до + 25⁰С, т.е. диапазон его толерантности лежит в пределах этих температур.

Организмы, для жизни которых требуются условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называют стенотермными («стено» - узкий), а способных жить в широком диапазоне температур – эвритермными («эври» - широкий) (рис 2).

Рис. 2 Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и эвритермных организмов (по Ф. Руттнеру. 1953 г.)

стенотермы эвритермы стенотермы

холод тепло

(оптимум) оптимум (оптимум)

активность

Мин. Макс. Мин. Макс.

температура

Подобно температуре действуют и другие лимитирующие факторы, а организмы по отношению к характеру их воздействия называют, соответственно, стенобионтами и эврибионтами. Например, говорят: организм стенобионтен по отношению к влажности, или эврибионтен к климатическим факторам, и т.п. Организмы, эврибионтные к основным климатическим факторам, наиболее широко распространены не Земле.

Диапазон толерантности организма не остаётся постоянным – он, например, сужается, если какой-либо из факторов близок к какому-либо пределу, или при размножении организма, когда многие факторы становятся лимитирующими. Значит, и характер действия экологических факторов при определённых условиях может меняться, т.е. он может быть, а может и не быть лимитирующим. При этом нельзя забывать, что организмы и сами способны снизить лимитирующее действие факторов, создав, например, определённый микроклимат (микросреду). Здесь возникает своеобразная компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже – на видовом уровне.

Такая компенсация факторов обычно создаёт условия для физиологической акклиматизации вида-эврибионта, имеющего широкое распространение, который, акклиматизируясь в данном конкретном месте, создаёт своеобразную популяцию, экотип, пределы толерантности которой соответствуют местным условиям. При более глубоких адаптационных процессах здесь могут появиться и генетические расы.

Итак, в природных условиях организмы зависят от состояния критических физических факторов, от содержания необходимых веществ и от диапазона толерантности самих организмов к этим и другим компонентам среды.

Список использованной литературы.

1. Демина Т.А. “Экология, природопользование, охрана окружающей среды”. – М.: Аспект–Пресс, 1996 г.

2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. “Экология” (для студентов вузов) – Ростов–на- Дону: Феникс, 2000 г.

3. Куражковский Ю.Н. “Основы всеобщей экологии” – Ростов-на-Дону: Издательство РГУ, 1992 г.

4. Одум Ю. “ Основы экологии” – М: Мир, 1975 г.

5.Стадницкий Г.В., Родионов А.И. “Экология”. – М.: Высшая школа, 1988 г.

6..Фалеев В.И. “Экология” 2001 г.