Тема 2: « Экология особей (аутэкология). Среда обитания. Факторы среды, их классификация. Принципы экологической классификации организмов»

Аутэкология изучает взаимоотношения организмов (особей) с внешней средой. Ни один живой организм не может существовать без определенных факторов среды, его окружающей. Поэтому необходимо различать такие понятия как «среда обитания» и «условия существования».

Под средой обитания обычно понимают природные тела и явления, с которыми организм (организмы) находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Среда каждого организма складывается из множества элементов неорганической и органической природы и из элементов, привносимых человеком, его производственной деятельностью. Причем одни элементы среды могут быть необходимы организму, а другие безразличны для него, например, каждому из нас необходимо наличие воздуха и пищи, и совсем не обязательно присутствие допустим шкафу у стены.

Из этого примера вытекает определение «условия существования», или условия жизни- это совокупность необходимых для жизни элементов, составляющих с организмом диалектическое единство.

Вывод: компоненты среды необходимые для жизни:(воздух, пища, энергия) образуют условия существования, все остальные элементы- среда обитания.

Среда обитания- это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует. Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы. Любое живое существо живет в сложном, меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями. Наряду с термином «среда обитания» используются также понятия «экологическая среда», «местообитание», «окружающая среда», «окружающая природная среда», «окружающая природа» и др. четких различий между этими терминами нет.

Отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организмы, называются экологическими факторами. Факторы среды многообразны. Они могут быть необходимы или, наоборот, вредны для живых существ, способствовать или препятствовать выживанию и размножению.

Экологические факторы имеют разную природу и специфику действия. Среди них выделяют абиотические и биотические, антропогенные.

Абиотические факторы (физико-химические, факторы неживой природы) – температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, ветер, течения, рельеф местности- это все свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы.

Биотические (факторы живой природы)- это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других существ, вступает в связь с представителями своего вида и других видов- растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие.

Антропогенные факторы- это формы деятельности человеческого общества, которые приводят к изменению природы как обитания других видов или непосредственно сказываются на их жизни. Значение антропогенных воздействий на весь живой мир Земли продолжает стремительно возрастать.

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т.п.

Некоторые свойства среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени в эволюции видов. Таковы сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Большинство экологических факторов- температура, влажность, ветер, осадки, наличие укрытий, пищи, хищники, паразиты, конкуренты и т.д.- очень изменчиво в пространстве и времени. Степень изменчивости каждого из этих факторов зависит от особенностей среды обитания. Например, температура сильно варьирует на поверхности суши, но почти постоянна на дне океана или глубине пещер. Паразиты млекопитающих живут в условиях избытка пищи, тогда как для свободноживущих хищников ее запасы все время меняются вслед за изменением численности жертв.

Изменения факторов среды во времени могут быть: 1) регулярно-периодическими, меняющими силу воздействия в связи со временем суток, или сезоном года, или ритмом приливов и отливов в океане; 2) нерегулярными, без четкой периодичности, например, изменения погодных условий в разные годы, явления катастрофического характера- бури, ливни, обвалы и т.п.; 3) направленными на протяжении известных, иногда длительных, отрезков времени, например, при похолодании или потеплении климата, зарастании водоемов, постоянном выпасе скота на одно м и том же участке и т.п.; 4)неопределенного действия- антропогенные факторы, наиболее опасные для живых организмов и их сообществ, например, выбросы загрязняющих веществ. Природа таких факторов неопределенна, к ним организм, как правило, не готов, вид не встречался с такими явлениями и в процессе эволюции, представляют наибольшие трудности для адаптации. В этом их основная специфика и антиэкологичность. Многие из этих факторов, кроме того, выступают как вредные. Их относят к группе ксенобиотиков (греч. ксенокс- чужой). К последним относятся практически все загрязняющие вещества. Только в отдельных случаях по отношению к таким факторам организмы могут использовать механизмы так называемых преадаптаций, т.е. те адаптации, которые выработались, по отношению к другим факторам. Так, например, устойчивости растений к загрязнениям воздуха в какой-то мере способствуют те структуры, которые благоприятны для повышения засухоустойчивости: плотные покровные ткани листьев, наличие на них воскового налета, опушенности, меньшее количество устьиц и другие структуры, и отравление организма.

Среди факторов среды выделяют ресурсы и условия. Ресурсы окружающей среды организмы используют, потребляют, тем самым, уменьшая их количество. К ресурсам относят пищу, воду при ее дефиците, убежища, удобные места для размножения и т.п. Условия- это такие факторы, к которым организмы вынуждены приспосабливаться, но повлиять на них обычно не могут. Один и тот же фактор среды может быть ресурсом для одних и условием для других видов. Например, свет- жизненно необходимый энергетический ресурс для растений, а для обладающих зрением животных- условие зрительной ориентации. Вода для многих организмов может быть и условием жизни, и ресурсом.

Экоклимат и микроклимат. Для того чтобы выяснить влияние климатических факторов на организм, часто метеорологических данных бывает недостаточно. Хорошо известно, что поверхности предметов, обращенные к солнцу, всегда теплее. Чем воздух над ними; холодный воздух по ночам скапливается в понижениях местности. В связи с этим различные местообитания организмов отличаются температурным и световым режимом, режимом влажности. Иными словами, каждое местообитание характеризуется определенным экологическим климатом- экоклиматом, т.е. климатом приземного слоя воздуха.

Большое влияние на климатические факторы оказывает растительность. Под пологом леса, например, влажность воздуха всегда выше, а колебания температуры меньше, чем на полянах. Различен и световой режим этих мест. В разных растительных ассоциациях формируется свой режим влажности, температуры, света. Тогда говорят о фитоклимате.

Но не всегда данных эколкимата или фитоклимата достаточно для полной характеристики климатических условий того или иного местообитания. Условия жизни, окружающие личинок насекомых, живущих под корой дерева, иные, чем в лесу, где это дерево произрастает. При этом температура южной стороны ствола может быть на 10-15®С выше температуры его северной стороны. Такие набольшие участки местообитания имеют свой микроклимат.

Четких различий между экоклиматом и микроклиматом не существует. Считается, что экоклимат- это климат относительно больших территорий, а микроклимат- климат отдельных небольших участков.

Каждая климатическая зона отличается огромным количеством разнообразных микроклиматов. Микроклиматы тесно связаны с солнечной радиацией, силой и направлением ветра, особенностями рельефа, характером растительности и другими климатическими показателями местности. (рис.22).

Особые микроклиматические условия создают не только растения, но и животные. Устойчивым микроклиматом обладают заселенные животными норы, дупла деревьев, пещеры. Наличие в одной местности многих микроклиматов обеспечивает сосуществование видов, обладающих неодинаковыми требованиями к внешней среде.

Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т.е. могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.

Общие законы действия факторов среды на организмы:

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Приостановка всех жизненных процессов организма называется анабиозом. Из анабиоза живые организмы возвращаются к нормальной жизни, если не нарушается структура макромолекул в их клетках. Влияние температуры как экологического фактора зависит от продолжительности ее воздействия и повторяемости.

Теплолюбивые организмы- способные жить при высоких температурах тропических районов. Например, верблюжья колючка переносит температуру до + 70®С, в водах горячих ключей Камчатки постоянно живут сине-зеленые водоросли при температуре 75….80®С. Они не переносят низких температур и гибнут уже при 0®С, хотя замораживания их тканей не происходит. Причина их гибели заключается в нарушении обмена веществ. Происходит подавление физиологических процессов, приводящее к образованию в растениях вредных веществ, вызывающих отравление организма.

Живые организмы в процессе эволюции выработали различные формы адаптации к изменению температуры.

Морфологические формы- биохимическая адаптация организмов, которая проявляется в изменении физико- химического состояния веществ, содержащихся в клетках и тканях, отложении запасных веществ в виде высокоэнергетических соединений- жира, масла. Масло вытесняет воду из вакуолей клетки и тем самым предохраняет организм от замерзания. У животных морфологические формы адаптации проявляются в наличии пуха, перьев, шерсти.

Физиологическая форма- способность изменять температуру тела и поддерживать ее постоянной по сравнению с температурой окружающей среды. Физиологическую форму можно рассматривать как поведенческую адаптацию- избежание неблагоприятных температурных воздействий. Примером является, перелет птиц, миграция птиц и животных; в пустыне, где днем поверхность почвы может нагреваться до 60- 70®С насекомые, млекопитающие зарываются в песок или прячутся в норы.

Другая поведенческая форма- это изменение типа питания на более калорийное. Например, белки в теплое время года питаются более ста видами кормов, зимой- семенами хвойных деревьев, богатыми жирами. Олени летом едят траву, зимой- лишайники, богатые белками, жирами, сахаристыми веществами.

На основании исследований животных в условиях одинакового климата и ландшафта определены экологические правила приспособления живых организмов, приобретения сходных изменений в окраске и телосложения.

Правило Глогера. Во влажном климате животные имеют более темную окраску, чем в засушливом.

1.
Закон оптимума. Каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы (рис.1). результат действия переменного фактора зависит, прежде всего, от силы его проявления. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.
Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора- это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Условия, приближающиеся по одному или сразу нескольким факторам к критическим точка, называют экстремальными. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды. Экологическая валентность- свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды. Чем шире диапазон колебаний экофактора, в которых данный вид может существовать, тем больше его экологическая валентноть (пластичность). Диапазон между минимумом и максимумом экофакторов- предел или диапазон толерантности. Сумма эковалентностей по отношению к отдельным факторам среды составляет экологический спектр вида.

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга как по положению оптимума, так и по экологической валентности. Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, пессимальной- для другого и выходить за пределы выносливости для третьего.

Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври». Эвритермные виды- выносящие значительные колебания температуры, эврибатные- широкий диапазон давления, эвригалинные- разную степень засоления среды.

Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено»- стенотермные, стенобатные, стеногалинные виды и т.д.

Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными (экологически непластичные, узкоспециализированные, маловыносливые), а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке,- эврибионтными (более выносливые, широкоспециализированные).

Каждый вид специфичен по своим экологическим возможностям. Даже у близких по способам адаптации к среде видов существуют различия в отношении к каким- либо отдельным факторам- правило экологической индивидуальности видов Л. Г. Раменский (1924, русский ботаник).

Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому- либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия факторов. Сущность ее заключается в том, что одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, избыток тепла может в какой-то мере смягчаться пониженной влажностью воздуха, недостаток света для фотосинтеза растений- компенсироваться повышенным содержанием углекислого газа в воздухе и т.п. Создается эффект частичного взаимозамещения факторов. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Полное отсутствие хотя бы одного их основных элементов делает жизнь невозможной, несмотря на самые благоприятные сочетания других условий.

«Рост и развитие организмов зависят в первую очередь от тех факторов среды, значение которых приближается к экологическому минимуму»- закон минимума Ю. Либиха (1873). Из закона вытекает:

а) выносливость организма определяется слабым звеном в цепи его экологических потребностей;

б) все условия среды, необходимые для поддержания жизни, имеют равную роль (закон равнозначности всех условий жизни), любой фактор может ограничивать возможности существования организма.

С законом минимума тесно связан закон ограничивающих факторов, или закон Ф. Блехмана (1909): факторы среды, имеющие в конкретных условиях максимальное значение, особенно затрудняют (ограничивают) возможности существования вида в данных условиях. Иными словами, фактор, находящийся в недостатке или избытке (вблизи критических точек) отрицательно влияет на организмы и, кроме того, ограничивает возможность проявления силы действия других факторов, в том числе и находящихся в оптимуме.

Эти законы дополняет закон толерантности В. Шелфорда (1913): ограничивающим фактором жизни организма могут быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости организма к этому фактору.

Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Любая природная система может развиваться только за счет использования материально- энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно. Развитие природы подчиняется определенным законам.

Закон максимизации энергии, или закон Г. И Э. Одумов: выживание одной системы в соперничестве с другими определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использования ее максимального количества наиболее эффективным способом. Этот закон справедлив и в отношении информации. Таким образом, наилучшими шансами на самосохранение обладает система, которая в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Этот закон имеет важное практическое значение из-за основных следствий:

а) абсолютно безотходное производство невозможно, поэтому важно создавать малоотходные производства с малой ресурсоемкостью, как на входе, так и на выходе (экономность и незначительные выбросы). Идеальным на сегодняшний день являются создание циклического производства (отходы одного производства служат сырьем для другого и т.д.) и организация разумного захоронения неизбежных остатков, нейтрализация неустраняемых энергетических отходов;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным (более примитивным) системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни- она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействии, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.