Биологическая индикация
Живые организмы тесно связаны с условиями среды. И потому о состоянии окружающей среды и ее изменениях – загрязнении, повышении или уменьшении влажности почвы, ее засолении, изменении климата и т.д. часто можно судить по реакции отдельных организмов и их популяций или по видовому составу экосистем.
Оценка среды по состоянию организмов и видовому составу экосистем называется биологической индикацией (биоиндикацией). Достоинство биологической индикации состоит в том, что организмы могут «рассказывать» не только о состоянии среды в данный момент, но и о ее изменении за длительное время. Например, если имел место «залповый» выброс большого количества загрязняющего вещества, то уже спустя несколько часов при наличии ветра он не будет зарегистрирован прибором, а растения «запомнят» этот выброс и «расскажут» о нем.
Кроме того, если предприятие выбрасывает в атмосферу или воду сразу десятки загрязняющих веществ, оценить их влияние на природу порознь часто невозможно. По реакции организмов на загрязнение можно оценить вредоносность всего «комплекта».
Существуют разные биологические индикаторы (биоиндикаторы). О загрязнении окружающей среды можно судить по внешним признакам растений или животных. Благодаря «памяти» этих организмов, можно узнать и о тех факторах, которые в настоящее время уже не действуют. Например, появление черных пятен на листьях липы свидетельствует о том, что в зимнее время дворники чрезмерно увлекались посыпанием снега солью для ускорения его таяния, о выбросах сернистого газа «расскажут» пятна на листьях подорожника большого. О степени загрязнения воздуха можно судить и по состоянию хвои сосны (рис. 10). По ширине годичных колец сосен в окрестностях химического предприятия можно определить, в какие годы завод особенно сильно загрязнял атмосферу. В эти годы закладываются более тонкие кольца. Поскольку на ширину колец влияет также и количество осадков, при биоиндикации используется «контроль» – толщина колец в сходных условиях, но без загрязнения.
Можно достаточно точно определить, сколько солей содержится в почве, если в экосистеме появились растения-индикаторы почвенного засоления: подорожник солончаковатый, шведка, солерос, бодяк бесстебельный, ситник Жерарда и др. (Рис. 11.)
О действии некоторых факторов можно судить по особенностям формы листьев или по высоте растений. Например, тростник, если солей в воде немного, может достигать высоты 4 м, а если вода «пересолена», его побеги не превышают 0,5 м. Можно составить специальную шкалу, и по высоте тростника определять качество воды в водоеме.
Есть растения-индикаторы состояния почв на пашне. Если появились полевица побегообразующая и мята полевая, значит, на пашне застаивается вода; разрослись щавель малый и клевер пашенный – почва стала кислой, и ее надо известковать; появились паслен черный и крапива жгучая – почву «перекормили» азотными удобрениями, и урожай может быть загрязнен нитратами.
По составу растений-сорняков можно оценить и интенсивность применения гербицидов. Например, преобладание среди сорных растений звездчатки средней и овсюга – свидетельство частого применения гербицидов, которых эти виды совсем не боятся. Появление василька синего говорит об обратном. Этот вид, погибает почти от всех гербицидов и при химизации растениеводства исчезает в первую очередь. Подобные оценки можно сделать и по составу беспозвоночных животных в пахотном слое почвы.
Присутствие в водоемах водокраса лягушечьего и тем более наяды, сальвинии (рис. 12) или водяного ореха – показатель высокого качества воды, а массовое развитие роголистника, рдеста плавающего и ряски – признак сильного загрязнения водоема.
Чуткие индикаторы загрязнения атмосферы – некоторые виды мхов и лишайников. Степень задымления городов можно определить по составу лишайников на стволах деревьев. Некоторые виды лишайников исчезают при самом слабом загрязнении атмосферы. Другие – выдерживают относительно высокие концентрации загрязняющих веществ. Лишайники накапливают загрязняющие химические и радиоактивные вещества. Химический анализ слоевищ лишайников позволяет точнее «засечь» появление загрязнения в атмосфере, чем при использовании приборов. (В частности, в Швеции появление радиоактивной пыли от Чернобыльской АЭС было установлено при анализе лишайников.)
Существуют и специальные живые приборы бриометры (от греческого слова бриос – мох) – маленькие коробочки с мхами определенных видов. Бриометры выставляются в разных местах города. За сутки мхи хорошо «запоминают» режим задымления атмосферы. Кроме мхов для этих целей используются и некоторые особо чувствительные растения, например, кресс-салат, который также чутко реагирует на состояние атмосферы.
Конечно, биоиндикация не заменяет химических анализов. Тем не менее, во многих случаях оценивать действие экологических факторов методами биоиндикации очень полезно. Для такой оценки не нужны дорогостоящие приборы, возможно осуществление оперативного наблюдения (мониторинга) за состоянием условий среды, особенно за режимом загрязнения атмосферы, воды и почвы. Эти методы могут использовать школьники.
Контрольные вопросы
1. Что такое биологическая индикация?
2. В чем ее достоинства и недостатки?
3. Какие признаки организмов и экосистем могут использоваться при биологической индикации?
4. Как используются в биологической индикации лишайники и мхи?
(доп.) § 9. Жизненные формы организмов
Жизненная форма – это внешний облик организма, комплекс морфологических, анатомических, физиологических и поведенческих признаков, в котором отражается его приспособленность к условиям внешней среды.
В сходных условиях среды организмы даже из систематически далеких групп могут иметь сходную жизненную форму. Так, например по форме тела похожи животные, обитающие в водной среде – млекопитающие, рыбы, птицы (дельфин, акула, пингвин, рис. 13), в воздушной среде – птицы, летучие мыши, насекомые. Аналогично сходную жизненную форму имеют почвенные землерои.
Эта закономерность еще более четко проявляется у растений. Так, растения-подушки (их сильно ветвящиеся короткие побеги так тесно сближены, что образуют плотные полушария, рис. 14) в холодных высокогорьях Памира, Тянь-Шаня, Алтая представляют разные семейства – розоцветные, бобовые, зонтичные и др.; сходную жизненную форму имеют американские кактусы и африканские молочаи.
На характере жизненных форм животных в первую очередь сказывается их перемещение в средах. Так, среди млекопитающих А.Н. Формозов выделил надземные формы, подземные (землерои), древесные, воздушные и водные, отметив, что между этими формами есть переходы.
Сходные жизненные формы животных встречаются в аналогичных условиях жизни на разных континентах. Так, жизненная форма прыгающих животных (прыгунчики, тушканчики, кенгуру) отличается компактным телом с удлиненными задними и укороченными передними конечностями. Длинный хвост, выполняя роль балансира, помогает резко изменять направление движения.
Жизненные формы животных зависят также от климата. Млекопитающие, живущие в холодном климате, в отличие от родственных видов из теплых краев, имеют более крупные размеры и короткие выступающие части тела (хвост, уши, конечности), что позволяет им снизить потери тепла.
У тех животных, развитие которых происходит с метаморфозом, жизненная форма закономерно изменяется в течение жизни: гусеница и бабочка (у насекомых), головастик и лягушка (у земноводных). Меняется жизненная форма и у растений с автономным гаметофитом-заростком (папоротники, плауны, хвощи).
Наиболее общепринятую классификацию жизненных форм растений в начале нашего столетия предложил датский эколог К. Раункиер (рис. 15). Она основана на положении относительно поверхности почвы и способе защиты почек возобновления. В этой классификации все растения разделяются на следующие типы жизненных форм:
– фанерофиты, почки возобновления находятся высоко над поверхностью почвы (деревья и кустарники);
– хамефиты, почки возобновления находятся над поверхностью почвы на высоте 20-30 см (кустарнички);
– гемикриптофиты, почки возобновления находятся на уровне поверхности почвы (большинство луговых и степных трав);
– криптофиты, разделяются на геофиты, почки возобновления у которых расположены в почве (зимующие в стадии корневищ или луковиц) и гидрофиты (водные растения с почками возобновления в воде);
– терофиты – однолетники, зимующие в стадии семян.
Контрольные вопросы
1. Что такое жизненная форма?
2. По каким признакам различаются жизненные формы растений в классификации Раункиера?
3. Приведите пример морфологического сходства видов из далеких систематических групп.
(ДОП.) § 10. ЖИЗНЕННЫЕ стратегии организмов
Разные виды растений и животных отличаются по способам выживания – жизненнойстратегии.
Л.Г. Раменский разделил организмы на три группы, которые назвал виолентами (силовиками), патиентами (выносливцами), эксплерентами (заполнителями) и дал им еще дополнительные, образные названия «львов», «верблюдов» и «шакалов».
«Львы» – это сильные организмы, которые обитают в благоприятных условиях и могут, как говорится, постоять за себя. Примеры «льва», кроме самого льва – тигр, слон, дуб. Дуб растет на почвах, богатых элементами питания, в теплом климате, при достаточном количестве осадков. Если человек не вмешивается в жизнь леса, то дуб образует чистые умеренно густые древостой из крупных деревьев-великанов. «Львы» захватывают все условия, в которых могут жить.
«Верблюды» – это организмы, обитающие в условиях с бедными ресурсами и благодаря специальным приспособлениям переносящие трудности. Пример этой стратегии – ксерофиты и галофиты. Верблюд, в честь которого названа группа, может неделями обходиться без воды и питаться «колючками». Растения пустынь экономно расходуют воду. «Верблюды» обитают и на солончаках, и в тенистых горных ущельях, и на побережье Северного Ледовитого океана.
«Шакалы» – это организмы, которые, как и «львы», предпочитают изобилие ресурсов, но, в отличие от них, заселяют нарушенные местообитания (распаханная почва, территория строительства, пожарище, откос дороги и др.). Они очень плодовиты и массово размножаются там, где нет «львов». Растения этой группы чаще всего однолетники с большим числом семян (одна особь может давать их десятки и сотни тысяч). К «шакалам» относятся сорные и культурные растения полей. «Шакалы» среди животных – домовая мышь, таракан, мухи, личинки которых могут за короткое время «переработать» тушу овцы или даже коровы.
Типичные «львы», «верблюды» и «шакалы» встречаются довольно редко. Чаще организмы имеют жизненную стратегию переходного типа. Например, ольха серая – между «львом» и «шакалом». У луговых трав – овсяницы луговой, ежи сборной, кровохлебки лекарственной и др. – сочетаются признаки всех трех стратегий: они могут постоять за свое «место под солнцем», переносить неблагоприятные условия (скажем, переживать засуху в состоянии временного покоя) и восстанавливаться после нарушений за счет отрастания от корневищ, почек у поверхности почвы, семенного размножения.
На рис. 16 показано отношение организмов основных типов жизненных стратегий (и переходов между ними) к уровню благоприятности условий среды и нарушений. В благоприятных и стабильных условиях распространены «львы», в благоприятных и нестабильных – «шакалы», а в неблагоприятных и стабильных условиях – «верблюды». В неблагоприятных и нестабильных условиях организмы погибают. Вот почему нужно быть особенно осторожными при использовании экосистем у границ жизни – в условиях крайней сухости и крайнего холода.
Многие организмы в разных условиях ведут себя по-разному. Тростник может быть «львом» в низовьях Волги и Дона (образует высокие, до 4 м плавни) и «верблюдом» – на солончаках. В этих условиях тростник – низкое стелющееся растение с узкими листьями. Но если взять семена такого «верблюжьего» тростника и высеять их в благоприятных условиях, снова появится «лев». На сфагновом болоте вырастают «верблюжьи» сосенки, которые в возрасте сто лет имеют длину стелющегося стволика меньше 1 м. В степной зоне у южной границы распространения дуб и осину можно встретить в «верблюжьей» кустарниковой форме.
Когда японцы создают карликовые деревья (это искусство называется «бонсай»), то превращают деревья из «львов» в «верблюды» (рис. 17).
Организмы разных типов жизненных стратегий обычно обитают в одной экосистеме, дополняя друг друга. Так, вместе со «львом» – дубом обитают «верблюды» – теневыносливые травы копытень и вороний глаз. Однако существуют и чисто «верблюжьи» экосистемы – пустыни (там и растения, и животные приспособлены к крайне сложным условиям жизни), и исключительно «шакальи» – заросли однолетников на пустыре). Сосуществование организмов с разными жизненными стратегиями помогает им более полно использовать ресурсы и жизненное пространство.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте основные жизненные стратегии организмов – «львов», верблюдов» и «шакалов».
2. Существуют ли переходные типы жизненных стратегий?
3. Приведите примеры изменения жизненной стратегии одного вида в разных условиях.
4. Какой тип жизненной стратегии у культурных растений?
(ДОП.) § 11. Биологическое разнообразие
Условия среды на нашей планете разнообразны. За счет того, что разные организмы приспосабливались к этим условиям по-разному, в процессе эволюции сформировалось биологическое разнообразие (биоразнообразие) – совокупность видов всех организмов. «Бухгалтерия» этого разнообразия следующая.
Общее число известных науке видов сегодня составляет около 2,5 млн., причем, почти 1,5 млн. из них – насекомые, еще 300 тысяч – цветковые растения. Всех других животных примерно столько же, сколько цветковых растений. Водорослей известно немногим более 30 тысяч, грибов – около 70 тысяч, бактерий – менее 6 тысяч, вирусов – около тысячи. Млекопитающих – не более 4 тысяч, рыб – 40 тысяч, птиц – ??. (Рис. 18.)
Около 80% биоразнообразия составляют виды суши (наземно-воздушной и почвенной сред жизни) и лишь 20% – виды водной среды жизни, что вполне понятно: разнообразие условий среды в водоемах ниже, чем на суше. 74% биологического разнообразия связано с тропическим поясом, 24 – с умеренными широтами и лишь 2% – с полярными районами.
По размеру самой многочисленной группой являются организмы величиной около 1 см. (Рис. 19.) Убывание числа видов с уменьшением размера тела связано с тем, что, с одной стороны, эта «мелюзга» (особенно грибы) недостаточно изучена, с другой – с тем, что она обитает в ограниченном разнообразии условий среды (в воде, в качестве паразитов других организмов, в почве).
«Разнообразие порождает разнообразие»: чем больше видов растений обитает в том или ином районе, тем больше там видов-гетеротрофов, которые связаны с этими растениями в процессе питания. Число гетеротрофных спутников у разных видов растений составляет от 30 до 600.
Биоразнообразие конкретного участка территории зависит от множества причин, причем самой главной являются условия среды. Чем благоприятнее условия среды, тем больше там обитает видов растений и, соответственно, видов гетеротрофных организмов. В то же время, есть множество других факторов, которые повышают и понижают биоразнообразие. Если, к примеру, в состав сообщества растений входит вид-«лев» (виолент), то число других видов растений будет ограничено и, соответственно, уменьшится число видов животных, грибов, бактерий, которые населяют этот участок.
При умеренном нарушении – легкий выпас на лугу или в степи, периодические «верховые» (не затрагивающие древостоя) пожары в лесу, слабое влияние отдыхающих на пригородный лес – биоразнообразие растет, а при сильном нарушении (верховой пожар, сильный выпас) – падает.
Повышается биоразнообразие вследствие переменности условий среды. Так, высокое биоразнообразие луговых степей связано с чередованием периодов достаточного и недостаточного увлажнения. Виды, адаптированные к недостаточному увлажнению, получают преимущества в сухое время года, а адаптированные к достаточному увлажнению – во влажное. Но те и другие сосуществуют вместе, и биоразнообразие оказывается высоким: на 1 м2 только растений встречается до 100 видов.
На сегодняшний день биоразнообразие планеты выявлено далеко не полностью. По прогнозам ученых, общее число видов организмов, живущих на Земле, составляет не менее 5 млн. (а по некоторым прогнозам – 15 и даже 30 млн.). Неизвестные виды – это в основном обитатели тропиков из числа мелких насекомых и грибов.
Биоразнообразие планеты является ее важнейшим невосполнимым ресурсом, который необходимо охранять.
Контрольные вопросы
1. Сколько видов живых организмов известно ученым и каков прогноз числа видов при их полном выявлении?
2. Какие группы организмов представлены самым большим числом видов?
3. От каких факторов зависит число видов на конкретном участке?
4. Организмы какого размера наиболее массово представлены в биоразнообразии планеты?
5. Каково соотношение числа видов в разных жизненных средах?
Справочный материал
В фауне России беспозвоночных – 150 тыс. видов, млекопитающих – 245, птиц – 732, рептилий – 75, амфибий – 27 видов.
Биоразнообразие – важный биологический индикатор состояния окружающие среды, который чутко реагирует на характер воздействия человека. В настоящее время четко проявляется тенденция снижения биоразнообразия. С 1600 г. исчезло 63 вида млекопитающих и 74 вида птиц. В числе исчезнувших видов – тур (рис. 20), тарпан, зебра-квагга, сумчатый волк, морская корова Стеллера, европейский ибис и др. В современном мире ежедневно исчезает от 1 до 10 видов животных и еженедельно – 1 вид растений.