Значение физических и химических факторов среды в жизни организма

 

Температура – важнейший из ограничивающих факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за пределами которой вид смертельно поражают жара или холод.

Все живые существа способны жить при температуре между 0 ^оС и 50 ^оС, что обусловлено свойствами протоплазмы клеток, но различные приспособительные механизмы, выработанные эволюцией, значительно расширяют эти возможности как в сторону высоких, так и низких температур. Поэтому интервал выживания, особенно популяции в целом, может быть и значительно шире указанного, между так называемыми нижней и верхней «границами стойкости» (по М. Ламотту). В этом интервале можно выделить «оптимальный интервал», в котором организмы чувствуют себя комфортно и численность популяции растет, а за его пределами они оказываются сначала в условиях «пониженной жизнедеятельности», где организмы чувствуют себя угнетенно, а затем погибают либо от холода (за нижней границей стойкости), либо от жары (за верхней границей стойкости).

Этот пример влияния температуры на организмы иллюст­рирует общий закон биологической стойкости (по М. Ламотту), применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. величину его толерант­ности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Все животные подразделяются на пойкилотермных, т. е. температура их собственного тела меняется с изменением тем­пературы окружающей среды, и гомойотермных, т. е. имею­щих постоянную температуру тела, не зависящую от внешней среды. В животном мире резко преобладают первые: земно­водные, пресмыкающиеся, насекомые и др. Значительно мень­ше гомойотермных животных: млекопитающие (в том числе человек) и птицы. Что касается наземных растений, то темпе­ратура в их жизни имеет не меньшее значение: они погибают уже при температуре, близкой к 50°С, а при температурах ниже 0° часть растений выживает благодаря специальным приспо­соблениям.

Известны морфологические приспособления растений и животных к низким температурам, так называемые жизнен­ные формы растений и животных. Растения приспосабливают­ся таким образом, чтобы уберечь свои почки от мороза под сне­гом, в почве и т. п. (по Раункеру), а животные увеличивают массу тела, запасая на зиму вещества, поэтому даже животные одного вида на севере крупнее, чем на юге (правило Бергмана).

У животных большее значение имеют физиологические адаптации, простейшая из которых — акклиматизация — фи­зиологическое приспособление к перенесению жары или холо­да. Более радикальным способом защиты от холода является миграция в теплые края, зимовка — впадение зимой в спячку. Большинство животных зимой находится в неактивном состо­янии, а насекомые — вообще останавливаются в своем разви­тии, наступает период диапаузы.

Свет — это первичный источник энергии, без которого не­возможна жизнь на Земле. Важнейшая его энергетическая фун­кция — участие в фотосинтезе. Однако свет не только энерге­тический ресурс, но и важнейший экологический фактор.

Важное значение для растений имеет интенсивность осве­щения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые (не выносят тени), тенелюбивые (не выносят яркого солнечного света) и теневыносливые (имеют широкий диапазон толерантности к свету).

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регуляторные адаптации организмов. Самый надежный сигнал — длина дня, т. е. фотопериод. Фотопериодизм — это реакция организма на сезонные изменения длины дня, всегда одинако­вой в данном месте, в данное время, что позволяет всем орга­низмам определиться со временем цветения, созревания и т. п. на данной широте. Развитие природы, благодаря фотоперио­дизму, происходит в соответствии с биоклиматическим зако­ном Хопкинса: сроки наступления различных природных явле­ний (фенодат) зависят от широты, долготы местности и ее вы­соты над уровнем моря.

У человека и животных внешние суточные ритмы перехо­дят во врожденные свойства вида и становятся их внутренними ритмами, отличаясь обычно от 24 часов на 15—20 минут, по­этому их называют циркадными (в переводе — близкие к сут­кам). Эти ритмы помогают организму чувствовать время, и такую его способность называют «биологическими часами».

Вода — входит в состав клеток организмов, выступает как абиотический экологический фактор, влияет нa другие факто­ры при совокупном воздействии на организм, и, наконец, яв­ляется средой обитания для многих животных и растений. Вода является лимитирующим фактором как в наземных, так и в водных местообитаниях.

В наземно-воздушной среде этот абиотический фактор ха­рактеризуется:

- количеством атмосферных осадков, но для организмов важнее равномерность их распределения по сезонам года, ко­торое в умеренных широтах может привести к засухе или пере­увлажнению, в тропиках — к чередованию влажных и сухих сезонов;

- влажностью воздушной среды, которая способна изменять эффекты температуры: понижение влажности ниже некоторо­го предела при данной температуре ведет к иссушающему дей­ствию воздуха;

- иссушающее действие воздуха приводит к иссушению по­чвы, что затрудняет всасывание воды корневой системой рас­тений. Адаптация растений — увеличение всасывающей силы и глубины корневой системы;

- транспирацией — испарением воды растениями через лис­тья, на что уходит 97—99% воды. Эффективность транспирации оценивается отношением прироста вещества к количеству транспирированной воды (в граммах сухого вещества на 1000 см³ поды), которая для большинства растений равна двум.

По способу адаптации растений к влажности выделяют не­сколько экологических групп: гигрофиты, мезофиты (древес­ные, травянистые и другие растения); ксерофиты (суккулен­ты: алоэ, кактусы) и др.

У животных по отношению к воде также выделяются свои экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые) и ксерофилы (сухолюбивые), промежуточная группа — мезофилы. Спо­собы регуляции водного баланса поведенческие (посещение во­допоя, переход на ночной образ жизни), морфологические (ра­ковины наземных улиток), физиологические (образование ме­таболической воды: собаки и др.).

В водной среде обитания — в реках, морях, океанах — прак­тически постоянно действуют такие экологические факторы, как течения и волнения, или косвенно, изменяя ионный состав и минерализацию воды, или оказывая прямое действие, вызы­вая адаптации их к течениям: рыбы в реках изменяют свою форму, растения прикрепляются к субстрату и т. п. Поскольку вода достаточно плотная среда, оказывающая ощутимое cqnpo- тивление животным при движении, они приобретают обтекае­мые формы тела (дельфин).

Воздушная среда имеет малые плотности и подъемную силу, незначительную опорность. Поэтому в ней нет постоян­но живущих организмов — все они связаны с землей, а воз­душную среду используют только для перемещения или (и) для поиска добычи. Воздушная среда оказывает на организмы фи­зическое и химическое воздействие.

Физические факторывоздушной среды: движение воздуш­ных масс и атмосферное давление. Движение воздушных масс конвективное и ветровое обеспечивают расселение семян, спор и пыльцы растений. Атмосферное давление оказывает суще­ственное влияние на жизнь позвоночных животных — они не могут жить выше 6000 м над уровнем моря.

Химические факторывоздушной среды обусловлены од­нородным в качественном и количественном отношении соста­вом атмосферы: в наземных условиях содержание кислорода находится в максимуме, а углекислого газа — в минимуме то­лерантности растений, в почве — наоборот — кислород стано­вится лимитирующим фактором для аэробов — редуцентов, что замедляет разложение органики. В воде кислорода в 20 раз меньше, чем в атмосфере, и здесь он является лимитирующим фактором.

Пожары по своему экологическому воздействию разделя­ются на верховые и низовые. Верховые уничтожают всю расти­тельность и большинство животных, и необходимы десятки лет, чтобы снова вырос лес. Низовые пожары обладают изби­рательностью, стимулируют процессы разложения мертвой органики и превращение минеральных веществ в форму, дос­тупную для питания растений, ослабляют опасность верховых пожаров. Человек использует искусственные низовые палы как фактор управления средой в целях обновления и оздоровления лесов умеренной зоны.

Биогенные вещества (биогенные соли и элементы) яв­ляются лимитирующими факторами и ресурсами среды для организмов. Растения получают их из почвы, а животные и человек — с пищей. Их разделяют на макроэлементы и микро­элементы.

Биогенные макроэлементы это те, которых требуется орга­низмам в относительно больших количествах: фосфор, азот, калий, кальций, сера и магний. Основной источник азота — атмосферный воздух, фосфора — горные породы и отмершие организмы. Фосфор — это необходимый элемент протоплазмы, его в организме в процентном отношении содержится боль­ше, чем в исходных природных источниках, поэтому он является лимитирующим фактором, по значимости он второй пос­ле воды. Калий играет важную роль в работе нервной системы человека и животных, в росте растений. Кальций — составная часть скелета организмов. Сера входит в состав аминокислот, витаминов, обеспечивает хемосинтез. Магний — необходимая часть молекул хлорофилла и рибосом организмов. Биогенные микроэлементы тоже необходимы организмам, но в очень малых количествах. Входят в состав ферментов и нередко бывают лимитирующими факторами: железо, марганец, медь, цинк, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Весь этот набор микроэлементов необходим как растениям, так и животным и человеку.

5. Эдафические факторы и их роль в жизни растений и по­чтенной биоты

 

Эдафические факторы (от греч. edaphos — почва) — почвенные условия произрастания растений. Из них важнейшими экологическими факторами являются влажность, температура, структура и пористость, реакция почвенной среды, засоленность. Почва — геологическое тело, отличающееся от всех по­хожих на нее глинистых и песчаных образований тем, что об­едает плодородием. Плодородие почвы — ее способность удовлетворять потребность растений в питательных веществах, воздyxe, биотической и физико-химической среде, включая тепловой режим, обеспечивая биогенную продуктивность растительности. Почва состоит из твердого, жидкого и газообразного компонента и содержит живые макро- и микроорганизмы.

Твердая компонента преобладает в почве и представлена минеральной и органической частями. Преобладают минералы первичные (кварц, полевые шпаты и др.), оставшиеся от материнской породы, меньше вторичных — результата разложения первичных (глинистые минералы, минералы-соли: карбонаты, сульфаты, галоиды и др.). Процентное содержание в почве легко растворимых в воде минералов-солей характеризует ее степень засоления. Органическая часть представлена гумусом — органическим веществом, образовавшимся в результате разложения отмершей органики. Он играет ключевую роль в плодородии почвы благодаря питательным веществам в его составе, в том числе и биогенным элементам. Содержание гумуса в почваx — от десятых долей процента до 20—22%. Самые богатые гумусом — черноземы, они же и самые плодородные почвы.

Почвенная биота представлена фауной (дождевыми червями, нематодами и др.) и флорой (грибами, бактериями, водорослями и др.), которые перераспределяют и перерабатывают органику, вплоть до исходных неорганических составляющих (деструкторы). Жидкая компонента почв — вода. Свободная вода перемещается по порам под действием силы тяжести, связанная адсорбируется на частицах в виде пленки, капиллярная удерживается в тонких порах за счет менисковых сил, а парообразная находится в газообразной составляющей пор. Отношение массы всей воды в почве к массе ее твердой компоненты именуют влажностью почвы. Состав и концентрация почвенного раствора определяют реакцию среды. Структура почв обусловлена связанными между собой частицами почв, между которыми образуются пустоты, называемые порами. Порис­тость — это доля объема пор в объеме почвы, которая можетдостигать 50% и более.

В почвенном профиле выделяются три горизонта, мощно­стью по нескольку десятков сантиметров каждый (сверху вниз): перегнойно-аккумулятивный (А), вмывания (В) и материн­ская порода (С). В горизонте А аккумулируются все питатель­ные вещества, в горизонт В вмываются продукты выщелачива­ния из А и здесь же перерабатывается органика редуцентами, накапливаются карбонаты, гипс, глинистые минералы, и этот горизонт постепенно переходит в материнскую породу (С).

Важнейшие экологические факторы почв разделяют на фи­зические и химические. К физическим относятся влажность, температура, структура и пористость. Влажность, а точнее, доступная влажность для растений, зависит от сосущей силы их корневой системы и от физического состояния воды. Недо­ступна часть пленочной воды, легко доступна свободная вода, но она довольно быстро уходит в глубокие горизонты, а свя­занная и капиллярная влага удерживается в почве длительное время. Сила водоудерживающей способности почв тем выше, чем они глинистее и суше. При очень низкой влажности оста­ется только недоступная для растения влага и оно погибает. Температура почвы зависит от внешней температуры, но бла­годаря ее низкой теплопроводности уже на глубине 0,3 м су­точные колебания температуры менее 2°С, ниже они ощутимы до глубины 1 м. Летом температура почвы ниже, а зимой — выше, чем на поверхности. Такие условия комфортны для по­чвенных животных. Структура и пористость почвы должны обеспечивать ее хорошую аэрацию. Перемещение червей в по­чвах увеличивает пористость. В почвенных горизонтах, в норах живут и млекопитающие (грызуны). В плотных почвах затруд­няется аэрация, и кислород может стать лимитирующим фак­тором.

Химические экологические факторы почв — реакция сре­ды и засоленность. Реакция среды — очень важный фактор: многие злаки дают лучший урожай на нейтральных и слабоще­лочных почвах (ячмень, пшеница), каковыми являются черно­земы. Засоленными называют почвы с избыточным содержа­нием водорастворимых солей (хлоридов, сульфатов, карбона­тов). Они возникают вследствие вторичного засоления почв при испарении грунтовых вод, уровень которых поднялся до поч­венных горизонтов. Растения, произрастающие здесь, соле- устойчивые, их называют галофитами. По таким организмам можно определить тот тип физической среды, где они росли и развивались. Такие организмы называют индикаторами сре­ды, или экологическими индикаторами. По организмам-ин­дикаторам можно судить, например, о загрязнении среды: ис­чезновение лишайников на стволах деревьев свидетельствует об увеличении содержания сернистого газа в воздухе; по каче­ственному и количественному составу фитопланктона можно судить о степени загрязнения водной среды и т.д.

6.Ресурсы живых существ как экологические факторы

 

«Ресурсы живых существ — это по преимуществу вещест­ва, из которых состоят их тела, энергия, вовлекаемая в процес­сы их жизнедеятельности, а также места, где протекают те или иные фазы их жизненных циклов».

Зеленое растение создается из неорганических молекул и ионов — вода, углекислый газ, кислород, биогенные вещест­ва—и солнечной радиации в результате фотосинтеза. Неорга­нические компоненты здесь можно рассматривать как пище­вой ресурс, а свет как ресурс энергетический. Сами растения являются пищевым ресурсом травоядных животных, травояд­ные — ресурс для хищников, те и другие — пищевой ресурс для паразитов, а после гибели — для деструктуров. Конкурент­ная борьба за пищевые ресурсы вынуждает животных охранять свои места охоты. Такие места и территории, где организмы размножаются, проходят стадии развития по типу метаморфо­за и т.п., относят к ресурсам среды для определенного вида организмов, популяций и биоценозов.

Ресурсы живых существ разделяют на незаменимые и взаи­мозаменяемые. Незаменимые ресурсы — это когда один из них не в состоянии заменить другой, который, в свою очередь, ста­новится жестким лимитирующим фактором в минимуме. При высокой ресурсной обеспеченности незаменимые ресурсы вы­зывают явление ингибирования — они становятся токсичны­ми, превращаясь в лимитирующие факторы, выходящие за верх­ний предел толерантности к ним организмов. Взаимозаменяе­мые ресурсы — это такие ресурсы, когда любой из двух ресур­сов можно заменить другим, при этом они могут быть и раз­личного качества.

Организм не сможет выжить, если не выдержит конкурен­тной борьбы. Первое испытание — это конкуренция на внут­ривидовом уровне за ресурсы энергии, минеральные и пище­вые ресурсы.

Незаменимым ресурсом энергии для зеленых растений яв­ляется свет. Количество солнечной энергии, используемое на фотосинтез, пропорционально освещенной площади листьев, зависящей от формы и расположения листьев, высоты солнца над горизонтом и интенсивности излучения. Но даже при бла­гоприятных условиях максимальные значения эффективного использования лучистой энергии у растений составляет: от 0,6 до 4,5 %. Диоксид углерода также незаменимый ресурс в фото­синтезе, но проблем с его недостатком не возникает. Вода — это не только компонент фотосинтеза, но она и незаменимая составляющая клеточной протоплазмы. Основной источник во­ды для растений — почва. Во многих случаях вода — лимити­рующий фактор из-за ограниченных или избыточных ее коли­честв в почве. Минеральные ресурсы — это извлекаемые рас­тением из почвы биогенные микро- и макроэлементы. Их дос­тупность связана с доступностью воды, а состав зависит от со­держания в почве. Кислород в наземных сообществах не явля­ется лимитирующим ресурсом, но в водной среде он — лими­тирующий ресурс. Для всех существ, кроме анаэробов, кисло­род — незаменимый ресурс.

Пищевые ресурсы — это сами организмы. Автотрофные организмы становятся ресурсами для гетеротрофных, прини­мая участие в пищевой цепи, где каждый предшествующий по­требитель превращается в пищевой ресурс для следующего по­требителя. Растительные клетки доступны лишь травоядным животным, которым для переваривания растительной пищи ее надо тщательно пережевать (жвачные животные), а птицам — перетереть ее в своем желудке. Плотоядным вообще жевать ничего не нужно, сложности в усвоении пищи у них нет, так как в мясе жертвы есть все компоненты, необходимые им для жизни — их больше заботит, как добывать пищу.

Хищнику необходимо отыскать, изловить, умертвить и съесть добычу, но пищевые ресурсы нередко ограждены от по­требителя. «Средства защиты» есть и у растений, и у живот­ных. Они подразделяются на физические, химические, морфо­логические и поведенческие. Однако они оказывают воздейст­вие и на организмы-потребители — наиболее приспособленные «пожиратели» выживают в большем количестве, разрабатывая все более изощренные средства нападения, а «пожираемые» раз­рабатывают все более новые и новые средства защиты. Так воз­никает эволюционное давление одного организма на другой, и эволюция каждого частично зависит от эволюции другого. Та­кие явления называют сопряженной эволюцией, или коэволю­цией.

У растений хорошо развита механическая защита — ко­лючки, шипы и др. Сохранность семян растений в природе резко увеличивается, когда они рассыплются с материнского расте­ния. Организмы способны создавать и химическую защиту от поедания в виде ядовитых веществ, например, растения от на­секомых. Но многие насекомые-фитофаги преодолевают эту защиту в результате коэволюции и специализируются на тех растениях, чью химическую защиту они преодолели. По этой же причине и искусственная химическая защита растений от насекомых быстро теряет свою эффективность.

Организмы конкурируют в занимаемом ими пространстве прежде всего за ресурсы. Пространство может стать и лими­тирующим ресурсом, если при избытке пищи оно не сможет вместить в свои геометрические размеры все организмы, кото­рые могли бы успешно жить в этом пространстве за счет из­бытка его ресурсов. Ряд животных стремится к «захвату» опре­деленной территории, где они смогут обеспечить себя пищей. Кроме того, потенциальными ресурсами для животных явля­ются гнездовые участки и убежища.