Общие закономерности действия экологических факторов на живые организмы

Конспект по экологии

В комплексе действия факторов можно выделить некоторые закономерности, которые являются в значительной мере универсальными (общими) по отношению к организмам. К таким закономерностям относятся правило оптимума, правило взаимодействия факторов, правило лимитирующих факторов и некоторые другие.

Правило оптимума . В соответствии с этим правилом для организма или определённой стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность организма. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование организма уже невозможно.

К зоне оптимума обычно приурочена максимальная плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковы. Чем шире амплитуда колебаний фактора, при которой организм может сохранять жизнеспособность, тем выше его устойчивость, т.е. толерантность к тому или иному фактору (от лат. толерация – терпение). Организмы с широкой амплитудой устойчивости относятся к группе эврибионтов (греч. эури – широкий, биос – жизнь). Организмы с узким диапазоном адаптации к факторам называются стенобионтами (греч. стенос – узкий). Важно подчеркнуть, что зоны оптимума по отношению к различным факторам различаются, и поэтому организмы полностью проявляют свои потенциальные возможности в том случае, если существуют в условиях всего спектра факторов с оптимальными значениями.

Правило взаимодействия факторов . Сущность его 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. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимозаменяться. Они не взаимозаменяемы.

Правило лимитирующих факторов . Сущность этого правила заключается в том, что 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. Лимитирующие факторы обычно обусловливают границы распространения видов, их ареалы. От них зависит продуктивность организмов.

Человек своей деятельностью часто нарушает практически все из перечисленных закономерностей действия факторов. Особенно это относится к лимитирующим факторам (разрушение местообитаний, нарушение режима водного и минерального питания и т.п.).

Окружающая органическая и неорганическая природа есть среда обитания вида, это часть природы, с которой он непосредственно взаимодействует.

Ко всем условиям среды организмы способны приспосабливаться, эти приспособления принято называть адаптациями. Они могут быть анатомо-морфологического, физиологического, поведенческого характера. Элементы среды обитания, которые вызывают адаптации, называются экологическими факторами или факторами воздействия. Реальное значение факторов неодинаково. Некоторые факторы особенно важны и незаменимы, их принято называть условиями существования.

Экологические факторы делятся на 3 основные группы: абиотические, биотические и антропогенные, которые как бы соответствуют этапам эволюционного развития нашей планеты.

Абиотические или физико-химические - факторы неживой природы, это - климатические, к которым относятся: свет и лучистая энергия, температура, влажность, осадки, снежный покров, атмосферное давление, газовый состав, движение воздуха, атмосферное электричество; почвенно-грунтовые, геоморфологические, гидрологические.

Биотические - факторы живой природы, действующие прямо или косвенно на организм - это микроорганизмы, растения и растительные группировки, животные.

Под антропогенными факторами понимают влияние человека на живые организмы - прямое или косвенное, посредством изменения среды обитания.

По М. Бигону, Дж. Харперу, К. Таусенду (1989) экологические факторы разделяются на 2 группы: на условия и ресурсы.

Условия - изменяющиеся во времени и в пространстве факторы среды обитания, на которые организмы реагируют по-разному в зависимости от его силы (например, температура, влажность почвы и т.д.). В присутствии некоторых организмов условия могут меняться, так, растения могут изменять рН почвы, затенять пространство, но условия организмами не расходуются и не исчерпываются, и ни один организм не может их сделать недоступными или менее доступными для других организмов.

Ресурсы - это все то, что организмы используют и потребляют, и в зависимости от условий организмы могут изменить их количество или могут сделать их недоступными для других. Между организмами за тот или иной ресурс возникает конкуренция. В различные периоды жизни ресурсами могут быть различные вещества. Один и тот же фактор в зависимости от среды обитания может быть то ресурсом, то условием, например, кислород в воздушной среде - условие, а в водной - ресурс.

Некоторые экологические факторы остаются постоянными практически всегда, ряд других факторов очень сильно варьирует (конкуренция, климатические факторы). Степень изменчивости фактора зависит от среды обитания. Особенно глубокое влияние оказывают на организмы изменяющиеся факторы. А.С.Мончадский (1958) предложил классификацию, которая учитывает изменчивость факторов. По его классификации:

1 группа - это стабильные факторы. Не изменяющиеся в течение длительного времени (сила тяготения, солнечная постоянная, состав атмосфера, рельеф и т.д.)

2 группа - изменяющиеся факторы, которые, в свою очередь, делятся на:

Факторы, изменяющиеся закономерно, периодически, вследствие движения солнечной системы (солнечная радиация, фотопериодизм, температура, приливы и отливы и т.п.)

Факторы, изменяющиеся без строгой периодичности (ветер, осадки, биотические и антропогенные).

Экологические факторы в самом простом случае оказывают прямое влияние, например, ящерица греется на солнце - температура ее тела повышается. Чаще всего же мы встречаемся с опосредованным, косвенным влиянием. Один и тот же фактор на одни организмы оказывает прямое влияние, а на другие косвенное. Несмотря на большое разнообразие экологических факторов можно выделить ряд закономерностей их действия на организмы.

Главный из них - закон оптимума. Сила действия экологических факторов постоянно меняется, лишь в некоторых местах планеты значения факторов более- менее постоянны (на больших глубинах). Закон оптимума гласит, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Существуют наиболее оптимальные дозировки факторов, при которых организмы данного вида чувствуют себя наиболее комфортно. Графически закон отражается симметричной кривой, показывающей, как меняется жизнедеятельность при увеличении дозы фактора. В центре под кривой - зона оптимума, в пределах которого организмы активно растут, питаются, успешно размножаются. Чем больше или меньше значение фактора, тем менее благоприятно это для живых организмов. Это субоптимальные или пессимальные зоны. Значения факторов, при которых наступает гибель организмов, называются критическими или экстремальными точками (рис.1). На графике - это точки пересечения с осью ОХ. Предел выносливости между двумя экстремальными точками называется экологической валентностью или пластичностью вида. У одних видов расстояние между критическими точками велико, значит, они могут жить в широких пределах значений фактора. У других же - критические точки сближены, это значит, что виды могут жить только в очень узком диапазоне значений фактора - в очень стабильных условиях. Широкая экологическая валентность обозначается приставкой “эври“, применительно к отдельным факторам различаются эврифаги, эвритермы, в широком смысле - эврибионты. И в противоположность им виды с узкой валентностью - приставкой “стено“, это виды стенофаги, стеногалы и стенобионты. Виды, длительное время развивавшиеся в относительно стабильных условиях, теряют экологическую пластичность и вырабатывают черты стенобионтности, а виды, существовавшие при значительных колебаниях факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и становятся эврибионтными.

Рис.1. Закон Оптимума.

Другая закономерность касается неоднозначного действия фактора на разные функции одного и того же организма. Оптимум для одних процессов может быть субоптимальным для других функций. Например, для фотосинтеза оптимальными являются температуры в 25-30 градусов, а дыхание осуществляется и при более высоких температурах.

Степень выносливости, критические точки, оптимум и пессимум отдельных особей вида не совпадают. Это определяется наследственными, физиологическими, возрастными и половыми особенностями. Например, икра лососей развивается при температуре от 0 о С до +12 о С, а взрослые особи легко переносят колебания от –2 о С до +20 о С. Экологическая валентность вида шире экологической валентности отдельной особи.

К каждому фактору виды приспосабливаются независимым путем. Степень выносливости к какому-либо фактору не означает такой же приспособленности к другому. Виды, хорошо переносящие низкие температуры, необязательно должны быть устойчивы, например, к высокой влажности. Набор экологических валентностей вида по отношению к разным факторам составляет его экологический спектр.

Результаты влияния экологических факторов могут сильно отличаться, в зависимости от того, как - раздельно или в совокупности - они действуют. Например, даже не очень сильный мороз становится ощутимым для людей и животных, если сопровождается ветром или высокой влажностью, так как эти два фактора ведут к усиленному охлаждению организма. Даже летом, во время дождя, мелкие зверьки с мокрой шерстью могут погибнуть от переохлаждения.

Немецкий агрохимик Ю. Либих в 1840 г. предположил, что выносливость организмов определяется самым слабым местом в его экологических потребностях. При изучении сельскохозяйственного производства им было установлено, что урожай зерна обуславливается не теми питательными веществами, которых в почве достаточно, а теми, которых не хватает, которые присутствуют в недостающих количествах. Причем один элемент не может быть заменен другим. Ю. Либих сформулировал закон минимума: рост растений ограничивается недостатком хотя бы одного элемента, количество которого ниже необходимого минимума. В дальнейшем этот закон был развит в закон об ограничивающих факторах. Возможность существования вида определяется не благоприятными условиями зоны оптимума, а чаще всего экстремальными, критическими значениями. Наиболее значимым выступает тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений. Экологический фактор, интенсивность которого приближается к пределу выносливости или выходит за него, называют ограничивающим. Такими факторами в экологии видов могут быть сильные весенние и ранние осенние заморозки, многоснежные или малоснежные суровые зимы и т.д. Представление об ограничивающем влиянии не только минимума, но и максимума развил В.Шелфорд в 1913 г.: лимитирующим фактором существования вида может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности, выносливости организма к данному фактору. Образно говоря, плохо и недокормить, и перекормить - все хорошо в меру.

Говоря об общих принципах действия экологических факторов важно отметить, что в современных условиях важнейшую роль играет не природная обстановка, а изменения, внесенные в нее человеком. Человек, кроме прямого действия на живые организмы, чаще всего кардинально меняет среду обитания, заставляя организмы приспосабливаться к новым для них условиям существования.

В характере воздействия факторов среды и ответных реакциях живых организмов выявлен ряд общих закономерностей, которые укладываются в некоторую общую схе-му действия экологического фактора разной дозы на жизнедеятельность организмов.

Количественное выражение экологического фактора в пределах зоны толерантности определяется в основном значениями, представленными тремя кардинальными точками - минимума, оптимума и максимума, и на рис. 5.2 кривая 1 имеет вид куполообразной кривой, так называемой кривой толерантности. Крайние пороговые значения (точки минимума и максимума) называются нижним и верхним пределами выносливости.

Зона, непосредственно прилегающая к точке оптимума, называется зоной оптимума или зоной комфорта. В этой зоне организм максимально адаптирован к действию экологического фактора, и количество последнего соответствует экологическим потребностям организма. Значение оптимума не является абсолютной величиной для конкретного вида, а зависит от стадии онтогенеза, периода жизни и действия других факторов. Зона, прилегающая к зоне оптимума, называется зоной нормы. Ей соответствует такое количество экологического фактора, при котором все жизненно важные процессы протекают нормально, однако для поддержания их на этом уровне необходимы дополнительные энергетические затраты.

В зоне пессимума нормальный ход процессов жизнедеятельности затруднен.

Повторяемость описанных тенденций позволяет рассматривать их как фундаментальный биологический принцип: для каждого вида растений и животных существует оптимум, зона нормальной жизнедеятельности, стрессовые зоны и пределы выносливости в отношении каждого фактора среды.

Адаптация к каждому фактору связана с затратами энергии. В зоне оптимума адаптивные механизмы отключены и энергия расходуется только на фундаментальные жизненные процессы (энергозатраты на базальный метаболизм).

При выходе значений фактора за пределы оптимума включаются адаптивные механизмы, функционирование которых сопряжено с определенными затратами энергии - тем большими, чем дальше значение фактора отклоняется от оптимального. При этом усиление энергорасходов на адаптацию ограничивает возможный набор форм жизнедеятельности организма: чем дальше от оптимума находится количественное выражение фактора, тем больше энергии направленно расходуется на адаптацию и тем меньше «степеней свободы» в проявлении иных форм деятельности. В конечном итоге нарушение энергетического баланса организма наряду с повреждающим действием недостатка или избытка фактора ограничивает диапазон переносимых им изменений. Размах адаптивных изменений количественного выражения фактора определяется как экологическая валентность или экологическая пластичность вида по данному фактору. Величина ее различна у разных видов.

Экологически непластичные, т. е. маловыносливые виды, для существования которых необходимы строго определенные, относительно постоянные условия внешней среды, называются стенобионтными (от греч. stenos - узкий, bios - жизнь), а те, которые могут жить в широком диапазоне изменчивости условий среды, - эврибионтными (от греч. eurys - широкий).

В зависимости от конкретного фактора среды различают организмы стено- и эвритермные по отношению к температуре, стено- и эврифотные по отношению к свету, стено- и эврибатные по отношению к давлению, стено- и эвригалинные по отношению к концентрации солей. Важно подчеркнуть, что явление стенобионтности фактически используется в практике экологической индикации качества окружающей среды. Узкоспециальные по отношению к ряду факторов видовые популяции могут

служить более чувствительными показателями качества среды, чем физические и химические.

Экологическая валентность как видовое свойство эволюционно формируется в качестве приспособления к той степени колебаний данного фактора, которая свойственна естественным местам обитания вида. Поэтому, как правило, переносимый данным видом диапазон колебаний фактора соответствует его естественной динамике: обитатели континентального климата выдерживают более широкие колебания температуры, чем жители приэкваториальных муссонных регионов. Сходные отличия обнаруживаются и на уровне различных популяций одного вида, если они занимают не одинаковые по условиям места обитания.

Помимо величины экологической валентности, виды (и популяции одного вида) могут отличаться и местоположением оптимума на шкале количественных изменений фактора. Виды, приспособленные к высоким дозам данного фактора, терминологически обозначаются окончанием -фил (от греч. phyleo - любить): термофилы (теплолюбивые виды), оксифилы (требовательны к высокому содержанию кислорода), гигрофилы (населяют места с высокой влажностью) и т. д. Виды, обитающие в про тивоположных условиях, обозначаются термином с окончанием -фоб (от греч. phobos - страх): галлофобы - обитатели пресных водоемов, не переносящие осолонения, хианофобы - виды, избегающие глубокоснежья, и т. п. Нередко такие формы характеризуют «от обратного»: например, виды, не переносящие избыточного увлажнения, чаще называют ксерофильными (сухолюбивыми), чем гигрофобными; подобным же

образом взамен термина «термофоб» чаще употребляют «криофил» (холодолюбивый).

Информация об оптимальных значениях отдельных факторов и диапазоне переносимых ими колебаний достаточно полно характеризует отношение вида (популяции) к каждому исследованному фактору. Следует, однако, иметь в виду, что рассмотренные категории дают лишь общее представление о реакции вида на воздействие отдельных факторов. Это важно при общей экологической характеристике вида и решении ряда прикладных задач экологии (например, проблема акклиматизации вида в новых условиях), хотя и не определяет полного объема взаимодействия вида с условиями среды в сложной природной обстановке.

В совокупности условий существования всегда можно выделить фактор, который сильнее других влияет на состояние организма или популяцию. Так, дефицит одного из важных ресурсов (вода, свет, пища, незаменимая аминокислота) будет ограничивать жизнедеятельность даже тогда, когда все остальные условия оптимальны. Фактор,который при определенном наборе условий окружающей среды ограничивает какое-либо проявление жизнедеятельности, называется лимитирующим. Понятие лимитирующего фактора связано с законом минимума Либиха. Еще в середине XIX в. Известный немецкий химик Ю. Либих, разрабатывая систему применения минеральных удобрений, сформулировал правило минимума, в соответствии с которым возможность существования данного вида в определенном районе и степень его «процветания» зависят от факторов, представленных в наименьшем количестве. Ученый установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (СО2, Н2О и др.), поскольку они, как правило, присутствуют в изобилии, а теми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно. Классическими примерами воздействия лимитирующего фактора на развитие растений являются исчерпание запасов бора в почве в результате возделывания одной и той же культуры в течение длительного времени или количество доступной

влаги в засушливых аридных районах.

Позднее действие закона минимума Либиха было дополнено двумя принципами. Первый - ограничительный: закон может быть применим лишь в условиях стационарного состояния, т. е. когда приток и отток энергии и веществ сбалансированы.

Второй принцип - взаимодействие различных факторов. Например, некоторым рас-тениям нужно меньше цинка, если они растут не на ярком солнечном свету, а в тени; значит, концентрация цинка в почве с меньшей вероятностью может быть лимитирующей для растений в тени, чем для растений на свету.

Лимитирующим может быть не только недостаток (минимум), но и избыток (максимум) экологического фактора. Представление о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил американский зоолог В. Шелфорд в 1913 г.

Закон толерантности Шелфорда: лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности, выносливости организма к данному фактору.

Интересный пример действия закона толерантности В. Шелфорда (много «хорошо» - тоже нехорошо) приводит Ю. Одум (1986). Создание утиных ферм вдоль рек, впадающих в южную бухту в проливе Лонг-Айленд близ Нью-Йорка, стало причиной сильного удобрения вод утиным пометом, из-за чего значительно увеличилась численность фитопланктона и, самое главное, произошла его структурная перестройка: дино флагелляты и диатомовые водоросли Nitzschia оказались почти полностью

заменены зелеными жгутиковыми, относящимися к родам Nannochloris и Stichococcus.

Знаменитые голубые устрицы, ранее процветавшие на рационе из традиционного фи-

топланктона и бывшие предметом выгодного водного хозяйства, постепенно исчезли, не адаптировавшись к новому виду пищи. Таким образом, избыток биогенов оказал лимитирующее воздействие на устриц.

Существует ряд вспомогательных принципов, дополняющих «закон толерантности».

1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон в отношении других факторов.

2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам обычно наиболее широко распространены. Например, карась, карп и многие другие рыбы переносят довольно низкое (менее 2 мг/л) содержание кислорода в воде, большую ее мутность, высокий диапазон температур. Поэтому они широко распространены в водоемах разных типов. Форель, напротив, встречается в реках, где концентрация кислорода более 2 мг/л. При содержании кислорода менее 1,6 мг/л она гибнет.

3. Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то может сузиться и диапазон толерантности к другим экологическим факторам. Напри- мер, при недостатке азота снижается засухоустойчивость злаков, т. е. растениям для выживания требуется больше воды.

4. В природе организмы часто оказываются в условиях, не соответствующих оптимальному диапазону того или иного фактора, определенному в лаборатории. В этом случае для жизнедеятельности организма более важным оказывается иной фактор. Например, некоторые тропические орхидеи в лаборатории при невысоких температурах лучше развиваются на солнце, чем в тени. В природе же они растут исключительно в тени, так как не переносят воздействия прямых солнечных лучей.

5. Периоды размножения обычно являются критическими для организмов. Многие факторы среды в это время становятся лимитирующими. Пределы толерантности для размножающихся особей и зародышей обычно у́ же, чем для неразмножающихся взрослых животных и растений. Взрослые голубые крабы рода Portunus хорошо переносят солоноватую и пресную воду с высоким содержанием хлоридов, поэтому часто заходят в реки вверх по течению, однако не размножаются, так как для личинок крабов нужна высокая соленость. Зрелый кипарис способен расти как на сухом нагорье, так и на полностью заливаемой почве, тогда как для прорастания семени требуется увлажненная, но не заливаемая почва. Географическое распространение промысловых птиц часто определяется влиянием климатических факторов на стадиях раннего онтогенеза, а не на взрослых особей. К недостатку пищи более устойчивы взрослые особи. Таким образом, в течение индивидуального развития (онтогенеза) реакция животных и растений на экологические факторы меняется.

Изменения факторов среды наблюдаются в течение года и суток, в случае приливов и отливов в океане, при бурях, ливнях, обвалах, похолодании или потеплении климата.

Один и тот же фактор среды имеет разное значение в жизни совместно обитающих организмов. Например, солевой состав почвы важен для минерального питания растений, но безразличен для большинства наземных животных.

Взаимодействие факторов в комплексах. Совокупное действие на организм нескольких факторов среды обозначают термином «констелляция». Экологически важно то обстоятельство, что констелляция не представляет собой простой суммы влияния факторов: при комплексном воздействии между отдельными факторами устанавливаются особые взаимодействия, когда влияние одного фактора в какой-то мере изменяет (усиливает, ослабляет и т. п.) характер воздействия другого.

Известно, например, что реакции газообмена у рыб существенно отличаются в условиях разной солености воды. В некоторых случаях недостаток одного фактора частично компенсируется усилением другого. Явление частичной взаимозаменяемости действия экологических факторов называется эффектом компенсации. Ю. Одум (1975) приводит такой пример: некоторые моллюски (в частности, Mytilus galloprovincialis) при отсутствии или дефиците кальция могут строить свои раковины, частично заменяя кальций стронцием при достаточном содержании в среде последнего. В пустынях недостаток осадков в определенной мере восполняется повышенной относительной влажностью воздуха в ночное время. Так, в пустыне туманов Намиб (Африка) среднегодовое количество осадков составляет примерно 30 мм, а с росой за 200 дней с туманом дополнительно поступает 40-50 мм осадков в год.

Климатические факторы могут замещаться биотическими (вечнозеленые виды южных растений в более континентальном климате могут расти в подлеске под защитой верхних ярусов, создавая собственный биоклимат). Такая компенсация факторов обычно создает условия для физиологической акклиматизации вида - эвриби-онта, имеющего широкое распространение. Акклиматизируясь в данном конкретном месте, он создает своеобразную популяцию, экотип, пределы толерантности которой

соответствуют местным условиям.

Однако полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (физиологически необходимых: света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами.

Экологические факторы действуют на живые организмы по-разному. Они могут выступать как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических функций; ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов. Таким образом, воздействие экологических факторов на кон-кретные организмы способно:

1) устранять те или иные виды с той или иной территории;

2) приводить к существенным популяционным перестройкам, изменять плодовитость особей, сроки жизни и т. д.;

3) изменять конкурентноспособность видов и приводить к перестройкам в сообществах разных типов;

4) вызывать появление адаптивных изменений у видов;

5) через воздействие на отдельные виды оказывать существенное влияние на биогеохимические циклы в биосфере.

СРЕДЫ ЖИЗНИ

Первой средой жизни, освоенной организмами, была водная среда, или гидросфера.

Это самая обширная область, занимающая до 71 % площади нашей планеты. Основное количество воды (97 %) сосредоточено в морях и океанах и лишь менее 0,5 % находится в реках, озерах, болотах. Большая же часть пресной воды заключена в ледниках.

В водной среде обитает около 150 тыс. видов животных и более 10 тыс. видов растений, называемых гидробионтами.28 5.Экологияорганизмов

Главным фактором, определяющим условия передвижения гидробионтов и создающим давление на разных глубинах, является плотность воды. Для дистиллированной воды она равна 1 г/см3 при +4 °С, а при содержании растворенных солей может достигать 1,35 г/см3. На плотность пресной воды сильное влияние оказывает температура:

она наибольшая при температуре +4 °С. При повышении или понижении температуры плотность воды уменьшается. При замерзании вода расширяется, увеличивая свой объем, и становится легче. Благодаря этому свойству лед располагается на поверхности водоема, в то время как наиболее плотная жидкая вода с положительной температурой находится подо льдом.

При активном передвижении гидробионты преодолевают сопротивление плотной воды за счет обтекаемой торпедообразной формы их тела. Вместе с тем высокая плотность воды и ее выталкивающая сила создают возможность опоры на нее. Поэтому в толще водной среды выделяют особые экологические группировки гидробионтов:

планктон (пассивно «парящие» организмы) и нектон (активно плавающие и способные преодолевать течения). Большинство рыб, некоторые беспозвоночные животные и цианобактерии имеют гидростатические аппараты (плавательный пузырь, газовые вакуоли и др.), позволяющие им флотировать в толще воды и «зависать» в ней на определенных глубинах. Благодаря способности воды удерживать в ее толще живые организмы (фито-, зоо-, бактериопланктон) и мертвую органическую взвесь у многих

водных животных (подвижных, малоподвижных и прикрепленных) развился особый способ добычи пищи - фильтрационный.

Высокая плотность воды создает возрастающее с глубиной давление, равное при-мерно 1 атм. на каждые 10 м.

Температурный режим водоемов более устойчив, чем на суше. Это связано с физическими свойствами воды и, прежде всего, с высокой величиной удельной теплоемкости. Чтобы изменить температуру 1 г воды на 1 °С, нужно затратить 4,19 Дж тепла (в 500 раз больше, чем для воздуха). Благодаря этому свойству вода, медленно нагреваясь и остывая, уменьшает амплитуду суточных и сезонных колебаний температур,

стабилизируя ее. Так, амплитуда годовых колебаний температуры в верхних слоях океана не более 10-15 °С, а в континентальных водоемах - 30-35 °С. Глубокие слои водоема имеют постоянные и более низкие величины температур. В экваториальных водах среднегодовая температура поверхностных слоев +26-27 °С, в полярных - около

0 °С и ниже. Более устойчивый температурный режим водоемов по сравнению с наземно-воздушной средой сформировал стенотермность большинства населяющих их гидробионтов. Эвритермные виды встречаются главным образом в мелких континентальных водоемах и литоральной зоне морей высоких и умеренных широт, где значительны суточные и сезонные колебания температуры.

Вода обладает большой скрытой теплотой плавления: для превращения 1 г льда в воду без изменения температуры необходимо затратить 80 кал.

У воды самая высокая из известных скрытая теплота парообразования. При испарении 1 г воды поглощается 537 кал. Благодаря этому свойству происходит смягчение климата.

Вода - хороший растворитель разнообразных минеральных веществ. В зависимости от концентрации растворенных в ней солей выделяют пресные (до 0,5 г/л), солоноватые (0,5-16 г/л), морские (16-47 г/л) и пересоленные (47-350 г/л) воды. Заселение

организмами водоемов с разной соленостью связано напрямую с их способностью к осморегуляции. Большинство гидробионтов являются стеногалинными организмами.

С повышением солености возрастает плотность воды и понижается температура ее замерзания.

В воде растворяются и газы. Однако кислорода в ней содержится в 30 раз меньше, чем при той же температуре в равном объеме воздуха, тогда как углекислого газа, 5.4.Средыжизни 29 напротив, в воде больше, чем в воздухе. Содержание кислорода и углекислого газа

в водоемах сильно изменится в течение суток: в светлое время содержание кислорода в воде повышается, а углекислого газа понижается вследствие осуществления фотосинтеза фотоавтотрофными гидробионтами; в ночное время происходит противоположное явление. Коэффициент диффузии кислорода в воде примерно в 320 тыс. раз ниже, чем в воздухе. В водоемах обогащение кислородом происходит за счет фото-синтетической аэрации и диффузии из воздуха. Диффузии способствуют ветер и движение воды. При повышении температуры воды, снижающей растворимость кислорода, отсутствии циркуляции воды за счет ветрового перемешивания в слоях, сильно заселенных живыми организмами, а также богатых мертвым органическим веществом в донной области водоемов, может создаваться резкий дефицит кислорода, особенно в ночное время, приводящий к гибели водных организмов - замору. Вследствие этого кислород в воде является лимитирующим фактором для жизни гидробионтов.

Свет проникает в толщу водоемов на разную глубину в зависимости от содержания в ней минеральных и органических взвешенных и растворенных веществ, а также угла наклона солнечных лучей, падающих на поверхность воды. Поэтому прозрачность природных вод невелика и находится в пределах от 0,1 до 66,5 м (величину прозрачности определяют путем погружения закрепленного на тросе белого диска Секки в воду до предельной глубины его видимости). Самые прозрачные воды в Саргассовом море - 66,5 м, в мелких морях прозрачность составляет 5-15 м, в реках - 1-1,5 м.

Нижняя граница прозрачности по диску Секки соответствует 5 % падающего на поверхность солнечного излучения. Фотосинтез продолжает идти и при меньшей освещенности, однако пятипроцентный уровень соответствует нижней границе основной фотосинтетической (эуфотической) зоны. Граница зоны фотосинтеза поэтому сильно варьирует в разных водоемах. В самых чистых водах эуфотическая зона простирается до глубин не ниже 200 м, сумеречная, или дисфотическая, зона занимает глубины до

1000-1500 м, а более глубокая афотическая зона полностью лишена солнечного света.

Количество света в верхних слоях водоемов сильно меняется и зависит от широты местности, а также времени года. Так, например, длинные полярные ночи, наличие ледяного покрова на водоемах сильно ограничивают время, пригодное для фотосинтеза.

Световые лучи с разной длиной волны поглощаются неодинаково: красные поглощаются уже в поверхностных слоях водоема, в то время как синие и в особенности зеленые части солнечного спектра проникают значительно глубже. Соответственно сменяют друг друга с глубиной зеленые, бурые и красные водоросли, имеющие разные специализированные пигменты для улавливания света с разной длиной волны.

Наземно-воздушная среда жизни освоена в ходе эволюции значительно позднее, чем водная. Она является наиболее разнообразной как во времени, так и в пространстве.

Тела живых организмов окружены воздухом - газообразной подвижной средой с низкой плотностью (в 800 раз меньше, чем у воды), невысоким и постоянным давлением (около 760 мм рт. ст.), высоким содержанием кислорода и малым количеством водяных паров. Это сильно изменяет условия дыхания, водообмена и передвижения живых существ.

Низкая плотность воздуха определяет его малую подъемную силу и незначительную опорность. Поэтому наземные организмы имеют в своем теле хорошо развитые механические ткани и опору на поверхность земли. Низкое сопротивление воздуха при движении позволяет животным передвигаться со значительно большей скоростью, чем гидробионтам.

Жизнь во взвешенном состоянии в воздухе невозможна. Лишь микроскопические организмы, пыльца, семена, споры временно присутствуют в воздухе и переносятся воздушными потоками, с помощью которых они расселяются. Определенные животные (насекомые, птицы, рукокрылые) способны к активному полету. Однако они используют его только для расселения и поиска пищи. Все остальные функции осуществляются на поверхности земли.

Газовый состав воздуха в приземном слое атмосферы довольно однороден и стабилен (азот - 78 %, кислород - 21 %, аргон - 0,9 %, углекислый газ - 0,03 % по объему) благодаря высокой диффузионной способности газов и постоянному его перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками.

земных организмов по сравнению с первичноводными. Именно в наземной среде на базе высокой эффективности окислительных процессов в организме возникла гомойотермия животных (у птиц и млекопитающих). Кислород из-за постоянно высокого его содержания в воздухе не лимитирует жизнь в наземной среде.

Режимы влажности на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в некоторых районах тропиков до практически полного их отсутствия в сухом воздухе пустынь. Велика также суточная и сезонная изменчивость содержания водяных паров в атмосфере. Наземные организмы постоянно сталкиваются с проблемой потери воды. Эволюция наземных организмов проходила

в направлении приспособления к добыванию и сохранению влаги.

Свет является источником энергии для фотосинтеза и тепла. Наземные растения используют в процессе фотосинтеза электромагнитные волны главным образом синей и красной части видимой области солнечного спектра (390-760 нм). Интенсивность и количество света в наземно-воздушной среде наиболее велики и практически не лимитируют жизнь зеленых растений. Для подавляющего большинства животных с дневной и даже ночной активностью зрение играет важную роль в ориентации, по-

иске добычи, способов маскировки и т. п.

Рельеф местности и свойства грунта оказывают существенное влияние на жизнь наземных организмов, формируя особенности светового, температурного режимов, влажности.

Большой размах температурных колебаний в сочетании с различным режимом влажности, облачности, осадков, силы и направления ветра создает большое разнообразие погодных условий, действию которых подвергаются организмы. В различных географических районах складываются сходные погодные условия, формирующие их климат.

Для большинства наземных организмов (в особенности мелких) каждой климатической зоны важны также условия их непосредственного местообитания, зависящего от особенностей рельефа, экспозиции, наличия растительности, что в совокупности формирует микроклимат. Например, температура поверхности дерева, обращенной к югу, будет намного выше, чем на северной. Резко отличаются температура, влажность,

сила ветра, освещенность на открытых пространствах и в лесу, а зимой - на открытых участках почвы и под снегом, слоем опавших листьев, в норах, дуплах, пещерах и т. п.

Разнообразие микроклиматов создало гораздо больше вариантов условий в наземновоздушной среде, что способствовало возникновению в ходе эволюции более значительного количества видов наземных организмов по сравнению с водными.

Почва представляет собой сложную систему, состоящую из твердых минеральных частиц и органических остатков (перегноя), окруженных воздухом и водой. В зависимости от типа почвы - глинистая, песчаная, глинисто-песчаная и др. - она в большей или меньшей степени пронизана полостями, заполненными смесью газов и водными растворами. В почве, по сравнению с приземным слоем воздуха, сглажены темпера-

турные колебания, а на глубине 1 м не ощутимы и сезонные изменения температуры.

Верхний горизонт почвы содержит определенное количество перегноя (гумуса), от которого зависит продуктивность растительного покрова. Расположенный под ним.

Экологические факторы очень разнообразны, и каждый вид, испытывая их влияние, отвечает на него по-разному. Есть общие законы, которым подчиняются ответные реакции организмов на любой фактор среды.

1. Закон оптимума

Отражает то, как переносят живые организмы разную силу действия экологических факторов.

Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияние на живые организмы.

Например, животные и растения плохо переносят сильную жару и сильные морозы; оптимальными являются средние температуры. На графике закон оптимума выражается симметричной кривой, показывающей, как изменяется жизнедеятельность вида при постоянном увеличении воздействия фактора.

Кривые, подобные изображенной на этом рисунке, называют кривыми толерантности (от греч. толеранция - терпение, устойчивость).

В центре под кривой - зона оптимума. При оптимальных значениях фактора организмы активно растут, размножаются. Когда кривая спускается вниз по обе стороны от оптимума - зоны пессимума. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся 2 критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за их пределами наступает смерть. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы для выживания. Такие условия называют экстремальными.

Кривые с очень острыми пиками означают, что диапазон условий, при которых активность организма достигает максимума, очень узок. Пологие кривые соответствуют широкому диапазону толерантности .

Организмы с широкими границами устойчивости имеют шансы на более широкое распространение.

Но в течение жизни особи ее толерантность может измениться, если особь попадает в другие внешние условия, тогда организм через некоторое время как бы привыкает, адаптируется к ним.

Изменение физиологического оптимума, или сдвиги купола кривой толерантности - адаптация или акклиматизация . Например, экотип медуз.

2. Закон минимума.

Сформулирова н основоположником науки о минеральных удобрениях Юстусом Либихом (1803-1873).

Либих обнаружил, что урожай растений может ограничиваться любым из основных элементов питания, если только этот элемент находится в недостатке.

Закон минимума. Успешное выживание живых организмов зависит от комплекса условий; ограничивающим является фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений.

Например, кислород является фактором физиологической необходимости для всех животных, но с экологической точки зрения он становится лимитирующим лишь в определенных местообитаниях. В реке гибнет рыба - измерить нужно концентрацию кислорода. Гибнут птицы -действие другого фактора.

Несмотря на разнообразие факторов, в их действии и ответных реакциях организма есть общие закономерности.

1. Закон оптимума : Каждый фактор имеет строго определенные пределы положительного воздействия на живой организм.

Благоприятная сила воздействия фактора называется зоной оптимума. Недостаточное или избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности организма. Чем сильнее отклоняется действие фактора, тем более выражено его угнетающее действие (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора – критические точки, за пределами которых существование организма становится невозможным. Пределы выносливости вида по отношению к какому-то фактору составляют его экологическую валентность.

Виды различаются между собой значениями экологической валентности и положением зоны оптимума. Примеры:

У самки обыкновенного немалярийного комара температурный оптимум для откладки яиц составляет +20°. При +15° и +30° происходит подавление процесса откладки яиц, а при +10° и +35° полное прекращение.

Для полярных рыб оптимум температуры 0°, а пределы выносливости от –2° до +2°.

У сине-зеленых водорослей, обитающих в гейзерах, температурный оптимум +85°, а пределы выносливости от +84° до +86°.

Виды, имеющие широкую экологическую валентность, обозначают, добавляя приставку эври- к названию фактора, например, эвритермные – по отношению к температуре, эвригалинные – по отношению к солености воды, эврибатные – к давлению. Виды с узкой экологической валентностью называют с приставкой стено- , также добавляя название фактора: стенотермные, стеногалинные, стенобатные.

Виды, имеющие широкую экологическую валентность по отношению ко многим факторам, называются эврибионтными, а узкую – стенобионтными.

2. Правило ограничивающего фактора. В природе на организмы одновременно влияет целый комплекс факторов среды в разных комбинациях и с разной силой. Среди них бывает трудно отделить самые важные от второстепенных, это зависит от силы воздействия каждого.

Ограничивающим называют фактор, интенсивность которого в качественном или количественном отношении в данный момент приближается или выходит за пределы критических значений.

Правило ограничивающего фактора:Наиболее значим тот фактор, который больше всего отклоняется от оптимальных для организма значений.

Специфических ограничивающих факторов в природе не существует, поэтому любой из факторов может стать ограничивающим. Их природа различна: абиотические, биотические и антропогенные.

Рассмотрим в качестве ограничивающего фактора температуру. Лимитирующим фактором распространения деревьев бука в Европе является низкая температура января, поэтому северные границы его ареала соответствуют январской изотерме –2 о С. Лось в Скандинавии встречается значительно севернее, чем в Сибири, где более низкие зимние температуры. Рифообразующие кораллы обитают только в тропиках при температуре воды не ниже 20°С.

Климатические и почвенные факторы определяют ареал распространения растений и их урожайность.

По отношению к человеку в роли ограничивающего фактора может быть содержание витаминов (С, D), микроэлементов (йод) в продуктах питания.

3. Взаимодействие факторов: Зона оптимума зависит от комбинации факторов, действующих на организм.

Примеры: при оптимальной температуре животные легче переносят недостаток корма. Достаточное количество пищи позволяет животным легче переносить низкие температуру и влажность.

Хорошо известно, что человеку жару легче переносить при низкой, а не при высокой влажности. Снижение влажности может привести к увеличению экологической валентности вида по отношению к температуре. Человек способен в течение 45 минут без последствий для здоровья переносить температуру +126°С, но при очень низкой влажности. Низкая температура хуже переносится людьми в ветреную погоду. Сочетание приема алкоголя и низкой температуры воздуха приводит к быстрому переохлаждению организма, отморожению частей тела. Эта закономерность учитывается в медицине при назначении лекарственных препаратов; например, средства, снижающие повышенное артериальное давление, действуют сильнее, если снижено потребление соли.

4. Неоднозначность действия факторов на различные функции организма : Каждый экологический фактор оказывает неодинаковое влияние на разные функции организма.

При повышении температуры до 40° градусов у холоднокровных животных ящериц усиливается обмен веществ, но в то же время резко угнетается двигательная активность.