Всего на сайте:
119 тыс. 927 статей

Главная | Экология

Общие принципы действия факторов среды на организм.  Просмотрен 200

Лекция 6. Организм как объект экологии.

1. Биологические свойства организма.

2. Экологическое разнообразие организмов.

3. Среда обитания организмов. Факторы среды.

4. Действие факторов среды на организм.

5. Модифицирующие факторы среды.

Термин «организм» в биологии имеет 2 значения:

1) особь, живой индивидуум, живое существо.

2) любая биологическая или биокосная целостная система,

функционирующая как единое целое (и тогда – это и колония,

семья муравьев, сообщество симбионтов и т. п).

Здесь в основном организм понимается в первом значении, хотя строго следовать ему сложно (попробуйте, например, представить как отдельную особь организм лишайника).

Не лишним будет акцентировать внимание на некоторых общих свойствах организмов в этом контексте:

1. Организм – реальный носитель жизни. Именно гибелью организмов бывает обусловлено прекращение существования популяций, видов, сообществ, экосистем, т.е. биологических систем надорганизменного уровня. Отмирание, разрушение органов, тканей, молекул (если это не одноклеточный организм) мы не отождествляем со смертью, т.е. с прекращением жизни.

2. Организм – самовоспроизводящаяся структура. Именно через воспроизводство организмов осуществляется воспроизводств популяций, обеспечивающее, в свою очередь, длительное устойчивое существование экосистем.

3. Организм – наиболее дискретная из биологических систем. В огромном большинстве случаев выделение отдельно взятого организма не представляет сложностей.

Организм дискретен и в отношении обмена веществ. Потребление вещества из окружающей среды, выделение продуктов обмена и поступления вещества отмерших организмов в окружающую среду лежит в основе проявления жизни на всех уровнях ее организации.

Совокупность тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях, именуют средой обитания.

Наряду с этим термином используют несколько близких по значению:

экологическая среда

окружающая среда

местообитание,

либо более узких по смыслу:

природная среда

техногенная среда, и др.

Важно помнить, что в среду обитания конкретного организма входят и другие живые организмы, в т.ч.

и своего вида.

Элементы и условия среды, на которые организм реагирует приспособительными реакциями (адаптациями) есть экологический фактор.

Однако иногда действие того или иного фактора оказывается столь сильным, что организм не в состоянии к нему адаптироваться и погибает.

Тогда говорят о летальном действии (значении) фактора.

Примеры: - гибель животных в лесном пожаре;

- гибель сорняков от гербицидов;

- гибель животного от хищника.

Однако в приведенных примерах (особенно последнем) гибели подвергаются отдельные особи, но популяция в целом зачастую адаптируется к действию фактора, через гибель (элиминацию) отдельных особей подвергаясь изменениям (в т.ч. и генофонда) и приспосабливаясь к существованию в условиях постоянного либо периодического действия таких факторов.

Поэтому выше приведенное определение будет более полным, если в него после слова «организм» добавить и «популяция».

Поскольку характер действия окружающей среды может быть очень разнообразным и исходить практически от любой из ее составляющих, то и факторы среды очень разнообразны и крайне многочисленны. Это создает необходимость классификации факторов среды.

Существуют 2 основных принципа подразделения факторов среды:

 

А. Подразделение факторов среды по их происхождению.

I. Факторы неживой природы (абиотические).

II. Факторы живой природы (биотические).

III. Факторы человеческой деятельности (антропогенные, или антропические).

 

Последняя группа факторов (хотя они также действуют как абиотические и биотические) выделяется в связи с тем, что с деятельностью человека связано подавляющее большинство современных экологических проблем.

 

В. Подразделение факторов среды по периодичности и направленности.

I. Факторы, действующие строго периодически:

- смена времени суток

- смена сезонов года

- смена приливов и отливов

- смена фаз луны, и др.

- смена колебаний численности популяции

II. Факторы, повторяющиеся без определенной периодичности:

- различные погодные явления

- наводнения

- ураганы

- землетрясения

- сходы лавин в горах

- эпизоотии и др.

III. Факторы направленного действия:

(отличаются устойчивой тенденцией изменения в одном направлении):

- потепление или похолодание климата;

- зарастание озера;

- опустынивание саванны;

- таяние ледника, и т.п.

IV. Факторы спонтанного (неопределенного) действия – б.ч. антропогенные

- осушение болота

- загрязнение территории радионуклидами

- случайный или целенаправленная акклиматизация вида;

- истребление вида, и т.п.

Как правило, к 1-й группе факторов организмы адаптированы лучше всего, причем механизмы этих адаптаций во многом наследственно обусловлены.

Факторы 4-й группы представляют наибольшие трудности для адаптаций. В этом и заключается основная причина антиэкологичности антропогенных факторов.

Й. Либих в середине ещё 19 века исследовал влияние различных факторов на рост растений. Он показал, что урожай агрокультур часто лимитируется не теми элементами питания, которые требуются растению в большом количестве (например, Н2О или СО2), поскольку эти вещества обычно присутствуют в среде в изобилии, а теми веществами или химическими элементами, которые требуются в ничтожных количествах (например, Zn), но которых и в среде (в данном случае в почве) очень мало. Этот вывод получил известность как «закон минимума» Либиха.

Этот закон вполне выдержал испытание временем, но последующие исследования в этой области показали, что он «работал» лишь с учетом еще 2-х условий:

1. Закон Либиха строго соблюдается лишь в условиях стационарного состояния.

Пример:

В небольшом озере главным лимитирующим фактором является СО2, который поступает в основном от разложения органических веществ. Свет, азот, фосфор, кислород и др.

при этом имеются в избытке, т.е. в состоянии равновесия лимитирующими факторами не являются. Продуктивность водоёма определяется только поступлением СО2.

Однако если поверхность водоема периодически во время сильных ветров и бурь подвергается волновому перемешиванию, это влечет дополнительное насыщение воды СО2 из атмосферного воздуха. В такие периоды этот гз может терять роль лимитирующего фактора, и «всплески» биологической продуктивности водоема будут ограничиваться другими веществами и элементами, - например, фосфором или азотом.

2. Влияние лимитирующего фактора связано с воздействиями на организм других факторов среды.

Пример:

Организм иногда способен заменять, хотя бы частично, один элемент, дефицитный другим, химически близким и имеющийся в окружающей среде.

Так, в местах, где много стронция, в раковинах моллюсков кальций отчасти бывает замещен этим элементом.

Радиоактивный стронций – в костях – пример из той же серии.

Ещё Либих отметил, что в отношении некоторых факторов (свет, тепло, влажность) лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток. Диапазон между двумя крайними пригодными для жизни организма значениями фактора позже стали называть пределами толерантности. На сегодняшний день они детально исследованы для очень многих видов.

Ту закономерность, что не только минимальные, но и максималные значения факторов определяют экологические условия существования организмов, иногда называют законом толерантности. Он сформулирован В. Шелфордом в 1913 г.

Установлено также, что для организма (и популяции) имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора (правило оптимума).

 

 

график

 

 

Для некоторых организмов зоны оптимума имеют широкий диапазон – эврибионты (от греч. эури – широкий).Организмы с узкой зоной адаптации к факторам среды (экологической валентностью) наз. стенобионты (от греч. стенос – узкий).

Некоторые стенобионтные организмы настолько тесно связаны с теми или иными специфическими экологическими условиями, что их присутствию и численности можно качественно и даже количественно оценивать эти условия. Такие организмы называются экологическими индикаторами (от лат. indico – указываю) (=биоиндикаторами).

Наиболее часто в качестве индикаторов используются растения. Например, овсяница Fesfuca указывает на наличие в почве свинца, цинка – ярутка Flaspi alpesdre, и др. В Южной Африке описаны целые «медные флоры» на почвах, насыщенных медью.

Иногда термин «экологический индикатор» применяют и в более широком смысле – например, скопления рыбоядных птиц, указывающие на косяки рыбы. Лишайники.

Казалось бы, изложенные выше закономерности дают большие возможности для сравнительно легкого математического и компьютерного моделирования экологических взаимодействий в системах разного уровня. Но на деле это не так, поскольку существует целый ряд явлений, которые приходится при этом не упускать из виду. Назовем лишь некоторые из них:

1.

Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны, то может сузиться и диапазон экологической валентности по другим экологическим факторам.

Например, при лимитирующем содержании азота снижается засухоустойчивость злаков (их увядание при недостатке азота в почве наступает при более высоком содержании в ней влаги).

2. Свои коррективы в действие факторов среды, в т.ч. и влияние на пределы зон оптимума и экологической валентности, часто вносят также биотические внутри- и межпопуляционные отношения (паразиты, хищники, конкуренция и пр.) (подробнее см. ниже).

3. Оптимальные диапазоны действия фактора на организм, определенные в условиях лаборатории, часто не соответствуют таковым в природе.

Пример:

Некоторые тропические орхидеи в природе растут исключительно в затененных местах, при выращивании же их в условиях комнаты либо оранжереи требуют естественного или искусственного освещения.

4. Критическим для организма является зачастую период размножения.

Пределы толерантности для размножающихся особей, семян, яиц, эмбрионов, личинок, проростков обычно уже, чем для неразмножающихся взрослых.

Например, взрослые особи многих проходных лососёвых рыб могут жить, питаться как в пресной так и соленой воде, а для икринок и мальков в первые недели жизни требуется пресная вода с низким содержанием солей.

У многих насекомых личинки по отношению к температуре весьма стенобионтны, тогда как куколки и взрослые особи – эврибионты (эвритермны).

Тем не менее, ценность концепции лимитирующих факторов значительна, т.к. она дает экологу отправные точки в конкретных аутэкологических исследованиях, позволяя выделить вероятные слабые звенья в изучаемых системах и сконцентрировать на них основное внимание.

Далеко не все факторы среды в конкретных экосистемах требуют от исследователя равного внимания. Например, содержание кислорода в атмосфере, как правило, не является лимитирующим фактором для организмов, населяющих сухопутные экосистемы (исключая высокогорье).

Совсем иная ситуация + складывается в средах обитания эндопаразитов, в почвенных сообществах и в водоёмах. В воде кислорода сравнительно мало, его содержание там нередко сильно варьирует, и для водных организмов это – один из первоочередных лимитирующих факторов.

Поэтому приборы, измеряющие содержание кислорода в воде, входят в постоянный рабочий арсенал гидроэкологов; но такие приборы почти не используются экологами, изучающими наземные экосистемы.

Впрочем, далеко не всегда можно даже на уровне рабочей гипотезы объяснить некоторые природные явления, исходя из закономерностей влияния экологических факторов на организмы. Особенно показательны здесь примеры глобальных изменений ареалов некоторых видов.

Примеры:

1. Сокращение численности, а затем и ареала баклана в Европе в конце 19 – начало 20 века было принято объяснять подрывом кормовой базы (рыбных ресурсов).

Но его вторичное расселение произошло во второй половине 20 века (80-90-е г.г. в Беларуси) и не было связано со сколько-нибудь явным улучшением кормовой базы.

2. Сизоворонка ↓ Золотистая щурка ↑

(виды одного отряда ракшеобразных со сходным спектром питания и оба – средиземноморского происхождения) – Не конкуренция!!!

Остается предположить, что одни виды (баклан, щурка) в процессе адаптации эволюционируют в сторону расширения экологической валентности, др. (сизоворонка) – попадает под влияние какого-то лимитирующего фактора, который пока не поддается выявлению.

Как правило, лимитирующие факторы среды являются таковыми, поскольку участвуют в тех или иных физиологических процессах организма.

Однако некоторые факторы, сами не участвуя в физиологических процессах организма, воздействуют на него, изменяя воздействия других факторов. Это – т.н. модифицирующие факторы среды.

Примеры:

1. Ветер: помимо механического действия, изменяет водный и энергетический обмен, способствуя охлаждению организма и усилению испарения.

Комплексный показатель погоды – коэффициент суровости климата.

S= (1-0,004t) (1+0,272v),

 

где S – коэффициент суровости (в баллах)

t – температура воздуха (0С)

v – скорость ветра (м/сек)

Чем ниже t и выше v, тем выше балл S.

2. Снежный покров:

Непосредственно не влияет на метаболические процессы, но создает специфические условия:

- механически препятствуют передвижению животных и добыче корма – ограничивает распространение некоторых животных (сев. и вост. граница ареала кабана совпадает с …?… высоты среднего снегового покрова в 40-50 см) (у фазана – 3–40 см).

- снежный покров создает некоторые благоприятные условия, в частности, микроклиматические.

Рыхлый снег обладает хорошими теплоизолирующими свойствами –

При высоком снеговом покрове температура на почве под снегом на 15-300 выше, чем на поверхности.

Поэтому ряд видов мелких животных (полевки, мыши, землеройки) под снегом активны круглый год. Тетеревиные птицы ночуют под снегом, а в Сибири также синицы, дятлы…

Снежные жилища эскимосов.

Предыдущая статья:Характеристики биоценоза. Следующая статья:Предмет, задачи и структура современной экологии
page speed (0.0138 sec, direct)