Тема 9. Организм и факторы среды.

Важнейшими абиотическими факторами среды являются: свет, температура, влажность.

Свет (лучистая энергия) - абиотический фактор, с которым связана вся жизнь на Земле. В спектре солнечного света выделяют три биологически неравнозначные области: ультрафиолетовая (1%), видимая (40- 50%) и инфракрасная ( 40-50%).

Губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи задерживаются озоновым экраном Земли. Небольшое их количество, достигающее земной поверхности, необходимо для жизни, с ними связан синтез витамина «Д» в организме человека и животных.

Видимые лучи используются растениями для фотосинтеза. Большинство животных хорошо различают эти лучи, без них невозможна ориентировка в пространстве с помощью зрения.

Инфракрасные лучи наиболее богаты тепловой энергией. С ними связана интенсивность физиологических процессов у пойкилотермных животных. Характер освещения имеет суточную и сезонную периодичность.

К наиболее важным физиологическим и биохимическим процессам, осуществляемым в живом организме, благодаря наличию света, можно отнести следующие: фотосинтез; транспирация (обеспечивается охлаждение растений и движение по ним водных растворов минеральных веществ); фотопериодизм (синхронность жизненных процессов в живых организмах и периодически меняющихся условий среды); движение (фототропизм у растений и фототаксис у животных и микроорганизмов); зрение (одна из главных анализирующих функций животных).

Прямое или рассеянное солнечное излучение не требуется лишь небольшой группе живых существ - некоторым видам грибов, глубоководных рыб, почвенных микроорганизмов и т.п.

По требовательности к условиям освещения, растения делятся на:

1. световые или светолюбивые (подсолнечник, подорожник, томат, акация, дыня);

2. теневые или несветолюбивые (лесные травы, мхи);

3. теневыносливые (щавель, вереск, ревень, малина, ежевика).

Температура на земной поверхности зависит от географической широты и высоты над уровнем моря. Она меняется по сезонам года. У большинства организмов процессы жизнедеятельности протекают в пределах от -4°С до + 40-45°С.

У пойкилотермных организмов (растений, всех животных, кроме птиц и млекопитающих) температура тела, а следовательно и интенсивность жизнедеятельности и темпы развития зависит от окружающей среды. Но у них существуют некоторые механизмы изменения температуры своего тела. Растения избегают перегрева, регулируя испарение с листовой поверхности автоматическим открытием и закрытием устьиц. Тот же эффект достигается животными испарением через кожные покровы и органы дыхания.

Наиболее совершенная терморегуляция у гомойтермных организмов - птиц и млекопитающих, которые благодаря этому широко расселились во всех климатических поясах. У таких животных терморегуляция осуществляется изменением окислительно-восстановительных процессов, продуцирующих тепло, охлаждение же достигается испарением пота с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек. Волосяной покров млекопитающих, перья птиц, подкожные отложения жира также обеспечивают терморегуляцию. В убежищах животных (норах, логовищах) создается своеобразный, благоприятный микроклимат.

Тепловой режим оказывает влияние на строение тела животных. Правило Бергмана: по мере удаления от полюсов к экватору размеры близких в систематическом отношении животных с непостоянной температурой тела увеличиваются, а с постоянной - уменьшаются.

Температура среды оказывает существенное формообразующее влияние на животных. Правило Аллена: у животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (хвоста, конечностей, ушей) поскольку они отдают в окружающую среду наибольшее количество тепла.

Растения, также выработали в процессе эволюции ряд свойств, например:

1. Холодостойкость – способность переносить длительное время низкие положительные температуры (от О°С до +5°С);

2. Зимостойкость – способность многолетних видов переносить комплекс зимних неблагоприятных условий;

3. Морозостойкость – способность переносить длительное время отрицательные температуры;

4. Жаростойкость – способность переносить высокие (свыше +38°…+40°С) температуры без существенных нарушений обмена веществ;

5. Эфемерность – сокращение онтогенеза (до 2-6 мес.) у видов, произрастающих в условиях короткого периода благоприятных тем-пературных условий.

6. Устойчивость к перепадам температурных условий.

Вода - необходимый компонент клетки, поэтому ее количество в том или ином местообитании определяет характер растительности и животного мира. Большая часть живых существ на 70-95% состоит из воды. Вода нужна для всех биохимических и физиологических процессов.

Доступность влаги в разные периоды года и суток различна. В процессе эволюции живые организмы приспособились регулировать уровень водопотребления и поддерживать оптимальный состав внутренней среды. Например, большинство животных пустынь на безводный период запасают много жира, при окислении которого образуются молекулы воды, некоторые впадают в летнюю спячку (грызуны, черепахи), многие на день прячутся в норах, спасаясь от потери влаги и жары. Крупные млекопитающие совершают миграции на дальние расстояния в поисках воды (сайгаки).

По отношению к водному режиму выделяют следующие экологические группы растительных и животных организмов:

1. Гидробионты – обитатели экосистем, весь жизненный цикл которых проходит в воде;

2. Гигрофиты – растения влажных мест обитания (калужница болотная, купальница европейская, рогоз широколистный);

3. Гигрофилы – животные, обитающие в очень сырых частях экосистем (моллюски, амфибии, комары, мокрицы);

4. Мезофиты – растения умеренно увлажненных мест обитания;

5. Ксерофиты – растения сухих мест обитания (ковыли, полыни, астрогалы);

6. Ксерофилы – обитатели засушливых территорий, не переносящие повышенную увлажненность (некоторые виды пресмыкающихся, насекомых, пустынные грызуны и млекопитающие).

7. Суккуленты – растения наиболее засушливых местообитаний, способные накапливать значительные запасы влаги внутри стебля или листьев (кактусы, алоэ, агава);

8. Склерофиты – растения очень засушливых территорий, способные выдерживать сильную обезвоженность (верблюжья колючка обыкновенная, саксаул,);

9. Эфемеры и эфемероиды - однолетние и многолетние травянистые виды, имеющие укороченный цикл, совпадающий с периодом достаточного увлажнения.

Атмосфера Земли имеет достаточно устойчивый состав. 21% кислорода в приземном слое воздуха обеспечивает полноценное дыхание всем организмов в естественных экосистемах. 0,03% диоксида углерода - достаточно для фотосинтетических реакций растений. Горизонтальное и вертикальное перемещение воздушных масс создает необходимый воздухообмен для всех обитателей экосистемы.

Кислород необходим для обеспечения жизнедеятельности большинства живых организмов. Источником пополнения запасов кислорода в атмосфере служат в основном леса. 1 га соснового леса дает в год около 30 тонн кислорода - столько, сколько требуется для дыхания 19 человек в течение года.

Разнообразие факторов среды определяют разнообразные условия жизни на Земле. Выделяют четыре качественно отличные среды жизни: водную, наземно-воздушную, почву и живой организм. Многие животные могут существовать только в одной среде. Например, большинство птиц, млекопитающих, голосеменные и покрытосеменные растения обитают только в наземно-воздушной среде, большинство рыб - в водной среде, тогда как ряд насекомых (комары, стрекозы, поденки), земноводные и другие животные проходят одну фазу своего развития в воде, другую - в наземно-воздушной среде. Майский жук, бронзовка, щелкун и др. нуждаются в наземно-воздушной и почвенной средах.

Особенности водной среды: плотность воды, приближающаяся к плотности обитающих в ней организмов; ограниченное количество кислорода; мягкость температурного режима; своеобразие сезонных колебаний температур по толще воды и вертикальной циркуляции. Первая особенность предоставляет возможность жить в водной толще, не опускаясь на дно. Множество преимущественно мелких организмов (одноклеточные водоросли, мелкие рачки, медузы, икра рыб), находящихся во взвешенном состоянии (планктон), мигрируют вместе с потоками воды.

Большая, чем на суше, мягкость температурного режима, связанная с высокой теплоемкостью воды, не вынуждает водных обитателей сталкиваться с чрезмерно низкими и высокими температурами.

Однако количество кислорода в воде ограничено и колебания его концентрации, обусловленные различными причинами, могут привести к гибели организмов (например, гибель рыб при зимних заморах в некоторых озерах).

Вода единственное на Земле вещество, которое после плавления сначала сжимается, а затем, после +4°С по мере повышения температуры - расширяется. С одной стороны, это предохраняет водоемы от вымерзания зимой, но с другой - в них, по крайней мере, дважды в год, возникают периоды застоя вертикальной циркуляции, что способствует образованию дефицита кислорода.

Главная особенность наземно-воздушной среды – ее разнообразие и непостоянство (значительные перепады температур, давления, влажности и других характеристик
как во времени, так и в пространстве). Воздух гораздо менее плотен по сравнению с водой, и поэтому постоянно жить в воздухе нельзя, хотя многие виды могут летать, а микроорганизмы, семена и споры растении переносятся воздушными течениями. Воздух - плохой проводник тепла, это позволяет лучше сохранять тепло, вырабатываемое внутри
организма, и поддерживать его постоянную температуру. Не случайно теплокровные животные появились и получили распространение именно на суше.

Своеобразие почвы как среды обитания заключается в том, что она сама в значительной степени продукт жизнедеятельности организмов (биокосная материя). Для нее характерно
постоянное поступление органического вещества главным образом за счет отмирающих растений, опадающей листвы. А это - ценный источник питательных веществ для бактерий,
грибов и многих животных.

Почва представляет собой довольно сложную полидисперсную трехфазную систему, включающую твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную фазы. Поэтому почву населяет огромное количество как водных организмов, так и организмов, использующих для дыхания кислород воздуха - бактерий, грибов, простейших, круглых червей, членистоногих.

Для некоторых организмов в качестве среды жизни выступают другие организмы. В этом случае чаще всего говорят о явлении паразитизма, а точнее эндопаразитизма. Эндопаразиты - организмы, живущие внутри тела хозяина (гельминты, бактерии, вирусы, простейшие). В то же время кроме паразитов организм-хозяин может иметь и полезных сожителей. В частности, пищеварение человека осуществляется с помощью микроорганизмов-симбионтов (например, бифидобактерий). Особенности среды обитания эндоорганизмов - практически неограниченный запас пищи и надежная защита от внешних воздействий. Основные экологические трудности - смена хозяина. В этот период основная масса паразитов гибнет, но высокая плодовитость помогает поддерживать популяцию.

Основные среды жизни очень разнообразны и неоднородны. Так, вода бывает соленой или пресной, текучей или стоячей. В этом случае следует говорить о среде обитания. Например, пруд - среда обитания населяющих его организмов. В свою очередь, в средах обитания различают местообитания. В том же пруду можно выделить местообитания в толще воды, на дне, у поверхности.

Закон оптимума.

Согласно закону оптимума, любой экологический фактор имеет лишь определенные пределы положительного (оптимального) влияния на организм.

Зависимость биологической активности организмов от интенсивности действия экологических факторов может быть изображена графически в виде кривой толерантности Q - Биологическая активность,

Кривая толерантности

Интенсивность действия фактора в пределах аа/ (зона оптимума) обеспечивает полноценную жизнедеятельность и размножение особей в популяции – Ш уровень биологической активности.

Интенсивность действия фактора в пределах ab и a/b/ обеспечивает рост и развитие особей без увеличения численности популяций – П уровень биологической активности.

Интенсивность действия фактора в пределах cb и c/b/ позволяет особям сохраниться как биологическим объектам, поддерживая только наиболее жизненнонеобходимые функции. Эта зона кривой толерантности называется пессимумом.

Интенсивность фактора менее С и более С/ приводит к гибели или обусловливает переход к анабиозу (у некоторых видов). Интервал СС/ - это пределы существования вида по фактору F, или диапазон устойчивости.

Таким образом, чем больше сила действия фактора отклоняется в сторону уменьшения или увеличения, тем менее благоприятно это для организма (зона угнетения). И, наконец, когда сила действия фактора становится настолько мощной, или напротив, слабой, что организм погибает, этот фактор превращается в лимитирующий.

Наиболее часто лимитирующими факторами являются:

для продуцентов

§ содержание биогенных элементов в почве;

§ тепло- и влагообеспеченность;

§ интенсивность рекреационных нагрузок и т.п.

для консументов:

§ наличие доступных источников пищи и воды;

§ внутри- и межвидовая конкуренция;

§ уменьшение возможности перемещения и территорий для обитания и размножения и т.п.

для человека:

§ уровень интеллектуальных возможностей;

§ социально-политическое положение в государстве;

§ национальные и расовые предрассудки и т.п.

Кроме того, есть факторы, ограничивающие возможности существования всех видов живых существ. К ним относятся различные виды загрязнения окружающей среды, разрушение компонентов среды обитания и т.д.

На каждый организм (популяцию) действует одновременно множество экологических факторов. Но наибольшее влияние оказывают лишь те, интенсивность которых находится в зоне пессимума или даже приближается к минимуму. Причем это влияние настолько велико, что определяет уровень существования биологического объекта в целом, невзирая на то, что прочие факторы могут благоприятствовать жизнедеятельности, могут даже находиться в оптимуме.

Эту закономерность впервые установил в 1840 г. Ю.Либих. Она называется законом минимума и формулируется в настоящее время следующим образом: уровень существования популяции (или иного биологического объекта) определяется одним или несколькими факторами, находящимися в минимуме.

Классической иллюстрацией этого закона служит «бочка» Ю.Либиха, состоящая из досок разной высоты, соединенных обручами. Максимальный уровень воды, который может вместиться в ней, будет не выше доски, имеющий минимальную высоту.

Поиск по сайту: