Это прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы - свет, температура, влажность,
химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т. е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).
Свет
(cолнечная радиация) - экологический фактор, характеризующийся нитенсивностью и качеством лучистой энергии Солнца, которая используется фотосинтезирующими зелеными растениями для создания растительной биомассы. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, - основной источник энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания и превращения органического вещества автотрофным звеном биосферы, что в конечном итоге делает возможным формирование среды, способной удовлетворять жизненные потребности организмов.
Биологическое действие солнечного света обусловливается его спектральным составом [показать] ,
В спектральном составе солнечного света различают
- инфракрасные лучи (длина волны более 0,75 мкм)
- видимые лучи (0,40-0,75 мкм) и
- ультрафиолетовые лучи (менее 0,40 мкм)
Разные участки солнечного спектра неравнозначны по биологическому действию.
Инфракрасные , или тепловые, лучи несут основное количество тепловой энергии. На их долю приходится около 49 % лучистой энергии, которая воспринимается живыми организмами. Тепловая радиация хорошо поглощается водой, количество которой в организмах довольно велико. Это приводит к нагреванию всего организма, что имеет особенное значение для холоднокровных животных (насекомых, рептилий и др.). У растений важнейшая функция инфракрасных лучей состоит в осуществлении транспирации, с помощью которой из листьев водяными парами отводится излишек тепла, а также в создании оптимальных условий для вхождения углекислого газа через устьица.
Видимый участок спектра составляют около 50 % лучистой энергии, поступающей на Землю. Данная энергия необходима растениям для фотосинтеза. Однако на это используется лишь 1 % ее, остальная же часть отражается или рассеивается в виде тепла. Этот участок спектра oбусловил появление у растительных и животных организмов многих важных приспособлений. У зеленых растений, кроме формирования светопоглотительного пигментного комплекса, с помощью которого осуществляется процесс фотосинтеза, возникла яркая окраска цветов, что способствует привлечению опылителей.
Для животных свет в основном играет информационную роль и участвует в регуляции многих физиолого-биохимческих процессов. Уже у простейших имеются светочувствительные органоиды (светочувствительный глазок у эвглены зеленой), а реакция на свет выражается в виде фототаксисов - перемещение в сторону наибольшей или наименьшей освещенности. Начиная с кишечнополостных, практически у всех животных развиваются различные по строению светочувствительные органы. Различают ночных и сумеречных животных (совы, летучие мыши и др.), а также животных, обитающих в постоянной темноте (медведка, аскарида, крот и др.).
Ультрафиолетовая часть характеризуется самой высокой энергией квантов и высокой фотохимической активностью. С помощью ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,29-0,40 мкм в организме животных осуществляется биосинтез витамина D, пигментов сетчатки глаза, кожи. Эти лучи лучше всего воспринимают органы зрения многих насекомых, у растений они оказывают формообразовательный эффект и способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений (витаминов, пигментов). Лучи с длиной волны менее 0,29 мкм губительно действуют на живое.
Интенсивностью [показать] ,
У растений, жизнедеятельность которых всецело зависит от света, возникают различные морфоструктурные и функциональные адаптации к световому режиму местообитаний. По требовательности к условиям освещения растения распределены на следующие экологические группы:
- Светолюбивые (гелиофиты) растения открытых местообитаний, успешно произрастающие только в условиях полного солнечного освещения. Для них характерна высокая интенсивность фотосинтеза. Это ранневесенние растения степей и полупустынь (гусиный лук, тюльпаны), растения безлесных склонов (шалфей, мята, чабрец), хлебные злаки, подорожник, кувшинка, акация и др.
- Теневыносливые растения характеризуются широкой экологической амплитудой к световому фактору. Лучше всего растут в условиях высокой освещенности, однако способны адаптироваться к условиям разного уровня затенения. Это древесные (береза, дуб, сосна) и травянистые (земляника лесная, фиалка, зверобой и др.) растения.
- Тенелюбивые растения (сциофиты) не выносят сильного освещения, произрастают только в затененных местах (под пологом леса), а на открытых никогда не растут. На вырубках при сильном освещении у них происходит замедление роста, а иногда - гибель. К таким растениям относятся лесные травы - папоротники, мхи, кислица и др. Адаптация к затенению обычно сочетается с потребностью хорошего водоснабжения.
Суточной и сезонной периодичностью [показать] .
Суточная периодичность определяет процессы роста и развития растений и животных, которые зависят от длины светового дня.
Фактор, который регулирует и управляет ритмикой суточной жизнедеятельности организмов, называется фотопериодизмом. Он является важнейшим сигнальным фактором позволяющим растениям и животным "измерять время" - соотношение между продолжительностью периода освещенности и темноты в течение суток, определять количественые параметры освещенности. Иными словами, фотопериодизм - это реакция организмов на смену дня и ночи, которая проявляется в колебании интенсивности физиологических процессов - роста и развития. Именно продолжительность дня и ночи очень точно и закономерно изменяется в течение года независимо от случайных факторов, неизменно повторяясь из года в год, поэтому организмы в процессе эволюции согласовали все этапы своего развития с ритмом этих временных интервалов.
В умеренном поясе свойство фотопериодизма служит функциональным климатическим фактором, определяющим жизненный цикл большинства видов. У растений фотопериодический эффект проявляется в согласовании периода цветения и созревания плодов с периодом наиболее активного фотосинтеза, у животных - в совпадении времени размножения с периодом обилия пищи, у насекомых - в наступлении диапаузы и выходе из нее.
К биологическим явлениям, вызываемым фотопериодизмом, относятся также сезонные миграции (перелеты) птиц, проявление их гнездовых инстинктов и размножения, смена меховых покровов у млекопитающих и т. п.
По необходимой длительности светового периода растения разделяют на
- длиннодневные, которым для нормального роста и развития необходимо больше 12 ч светового времени (лен, лук, морковь, овес, белена, дурман, молодило, картофель, белладонна и др.);
- растения короткого дня - им нужно для зацветания не менее 12 ч беспрерывного темнового периода (георгины, капуста, хризантемы, амарант, табак, кукуруза, томаты и др.);
- нейтральные растения, у которых развитие генеративных органов происходит как при длинном, так и при коротком дне (бархатцы, виноград, флоксы, сирень, гречиха, горох, спорыш и др.)
Растения длинного дня происходят преимущественно из северных широт, короткого - из южных. В тропическом поясе, где продолжительность дня и ночи мало изменяются на протяжении года, фотопериод не может служить ориентирующим фактором периодичности биологических процессов. Его заменяет чередование сухого и влажного сезонов. Длиннодневные виды успевают дать урожай даже в условиях короткого северного лета. Образование большой массы органических веществ происходит летом в течение довольно длинного светового дня, который на широте Москвы может достигать 17 ч, а на широте Архангельска - более 20 ч в сутки.
Продолжительность дня существенно сказывается и на поведении животных. С наступлением весенних дней, длительность которых прогрессивно увеличивается, у птиц появляются гнездовые инстинкты, они возвращаются из теплых краев (хотя температура воздуха еще может быть и неблагоприятной), приступают к кладке яиц; теплокровные животные линяют.
Сокращение длительности дня осенью вызывает противоположные сезонные явления: отлет птиц, некоторые животные впадают в спячку, у других отрастает плотный шерстный покров, образуются зимующие стадии у насекомых (несмотря на еще благоприятную температуру и обилие корма). В этом случае уменьшение длительности дня сигнализирует живым организмам о близком наступлении зимнего периода, и они могут заранее подготовиться к нему.
У животных, особенно у членистоногих, рост и развитие также зависят от длины светового дня. Например, капустная белянка, березовая пяденица нормально развиваются лишь при длинном световом дне, тогда как тутовый шелкопряд, различные виды саранчи, совок - при коротком. Фотопериодизм влияет и на время наступления и прекращения брачного периода у птиц, млекопитающих и других животных; на размножение, эмбриональное развитие земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих;
Сезонные и суточные изменения освещенности являются самыми точными часами, ход которых четко закономерен и практически не изменился в течение последнего периода эволюции.
Благодаря этому появилась возможность искусственного регулирования развития животных и растений. Например, создание растениям в теплицах, оранжереях или парниках светового дня длительностью 12-15 ч позволяет даже зимой выращивать овощные культуры, декоративные растения, ускорять рост и развитие рассады. Наоборот, затенение растений летом ускоряет появление цветков или семян позднецветущих осенних растений.
Продолжением дня за счет искусственного освещения зимой можно увеличить период яйценосности кур, гусей, уток, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах. Огромную роль играет световой фактор и в других жизненных процессах животных. Прежде всего он является необходимым условием видения, их зрительной ориентации в пространстве в результате восприятия органами зрения прямых, рассеянных или отраженных от окружающих предметов световых лучей. Велика информативность для большинства животных поляризованного света, способности различать цвета, ориентироваться по астрономическим источникам света в осенних и весенних миграциях птиц, в навигационных способностях других животных.
На основе фотопериодизма у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические годичные циклы периодов роста, размножения, подготовки к зиме, которые получили название годичных или сезонных ритмов. Эти ритмы проявляются в изменении интенсивности характера биологических процессов и повторяются с годичной периодичностью. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года имеет огромное значение для существования вида. Сезонные ритмы обеспечивают растениям и животным наиболее благоприятные условия для роста и развития.
Более того, физиологические процессы растений и животных находятся в строгой зависимости от суточной ритмичности, что выражается определенными биологическими ритмами. Следовательно, биологические ритмы - это периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. У растений биологические ритмы проявляются в суточном движении листьев, лепестков, изменении фотосинтеза, у животных - в колебании температуры, изменении секреции гормонов, скорости деления клеток и т. д. У человека также наблюдаются суточные колебания частоты дыхания, пульса, артериального давления, бодрствования и сна и др. Биологические ритмы являются наследственно закрепленными реакциями, поэтому познание их механизмов имеет важное значение при организации труда и отдыха человека.
Температура
Один из важнейших абиотических факторов, от которого в значительной степени зависит существование, развитие и распространение организмов на Земле [показать] .
Верхним температурным пределом жизни на Земле, вероятно, является 50-60°С. При таких температурах происходит потеря активности ферментов и свертывание белка. Однако общий температурный диапазон активной жизни на планете значительно шире и ограничивается следующими пределами (табл. 1)
Таблица 1. Температурный диапазон активной жизни на планете, °С
Среди организмов, способных существовать при очень высоких температурах, известны термофильные водоросли, которые могут жить в горячих источниках при 70-80°С. Успешно переносят очень высокие температуры (65-80°С) накипные лишайники, семена и вегетативные органы пустынных растений (саксаул, верблюжья колючка, тюльпаны), находящиеся в верхнем слое раскаленной почвы.
Существует немало видов животных и растений, выдерживающих большие значения минусовых температур. Деревья и кустарники в Якутии не вымерзают при минус 68°С. В Антарктиде при минус 70°С живут пингвины, а в Арктике - белые медведи, песцы, полярные совы. Полярные воды с температурой от 0 до -2°С населены разнообразными представителями растительного и животного мира - микроводорослями, беспозвоночными, рыбами, жизненный цикл которых постоянно происходит в таких температурных условиях.
Значение температуры состоит прежде всего в непосредственном ее влиянии на скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Поскольку суточные и сезонные колебания температур возрастают по мере удаления от экватора, растения и животные, приспосабливаясь к ним, проявляют различную потребность в тепле.
Способы приспособления
- Миграция - переселение в более благоприятные условия. Регулярно в течение года мигрируют киты, многие виды птиц, рыб, насекомых и других животных.
- Оцепенение - состояние полной неподвижности, резкое снижение жизнедеятельности, прекращение питания. Наблюдается у насекомых, рыб, земноводных, млекопитающих при понижении температуры среды осенью, зимой (зимняя спячка) или при повышении ее летом в пустынях (летняя спячка).
- Анабиоз - состояние резкого угнетения жизненных процессов, когда видимые проявления жизни временно прекращаются. Это явление обратимое. Отмечается у микробов, растений, низших животных. Семена некоторых растений в анабиозе могут находиться до 50 лет. Микробы в состоянии анабиоза образуют споры, простейшие - цисты.
Многие растения и животные при соответствующей подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры. В лабораторных экспериментах семена, пыльца, споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших и других организмов, сперматозоиды после обезвоживания или помещения в растворы специальных защитных веществ - криопротекторов - переносят температуры, близкие к абсолютному нулю.
В настоящее время достигнуты успехи по практическому использованию веществ с криопротекторными свойствами (глицерин, полиэтиленоксид, диметилсульфоксид, сахароза, маннит и др.) в биологии, сельском хозяйстве, медицине. В растворах криопротекторов осуществляется длительное хранение консервированной крови, спермы для искусственного осеменения сельскохозяйственных животных, некоторых органов и тканей для трансплантации; защита растений от зимних морозов, ранневесенних заморозков и т. п. Оказанные проблемы относятся к компетенции криобиологии и криомедицины и решаются многими научными учреждениями.
- Терморегуляция. У растений и животных в процессе эволюции выработались различные механизмы терморегуляции:
- у растений
- физиологический - накопление в клетках сахара, за счет которого повышается концентрация клеточного сока и снижается обводненность клеток, что способствует морозоустойчивости растений. Например, у карликовой березы, можжевельника верхние ветви при чрезмерно низкой температуре омертвевают, а стелющиеся перезимовывают под снегом и не погибают.
- физический
- устьичная транспирация - отведения избытка тепла и предотвращение ожогов путем выведения воды (испарения) из тела растения
- морфологический - направленный на предотвращение перегрева: густая опушенность листьев для рассеивания солнечных лучей, глянцевитая поверхность для их отражения, уменьшение поглощающей лучи поверхности - свертывание листовой пластинки в трубочку (ковыль, овсяница), расположение листа ребром к солнечным лучам (эвкалипт), редуцирование листвы (саксаул, кактус); направленный на предотвращение замерзания: особые формы роста - карликовость, образование стелющихся форм (зимовка под снегом), темная окраска (помогает лучше поглощать тепловые лучи и нагреваться под снегом)
- у животных
- холоднокровных (пойкилотермных, эктотермных) [беспозвоночные, рыбы, земноводные и пресмыкающиеся] - регуляция температуры тела осуществляется пассивно за счет усиления мышечной работы, особенностей структуры и цвета покровов, отыскивания мест, где возможно интенсивное поглощение солнечных лучей, и т.д., т.к. они не могут поддерживать температурный режим обменных процессов и их активность зависит главным образом, от тепла, поступающего извне, а температура тела - от значений температуры окружающей среды и энергетического баланса (соотношения поглощения и отдачи лучистой энергии).
- теплокровных (гомойотермных, эндотермных) [птицы и млекопитающие] - способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от температуры среды. Это свойство
дает возмоность многим видами животных жить и размножаться при температуре ниже нуля (северный олень, белый медведь, ластоногие, пингвины). В процессе эволюции у них
выработались два механизма терморегуляции, с помощью которых они поддерживают постоянную температуру тела: химический и
физический [показать]
.
- Химический механизм терморегуляции обеспечивается скоростью и интенсивностью окислительно-восстановительных реакций и контролируется рефлекторно центральной нервной системой. Важную роль в повышении эффективности химического механизма терморегуляции сыграли такие ароморфозы, как появление четырехкамерного сердца, совершенствование органов дыхания у птиц и млекопитающих.
- Физический механизм терморегуляции обеспечивается появлением теплоизолирующих покровов (перья, мех, подкожно-жировая клетчатка), потовых желез, органов дыхания, а также развитием нервных механизмов регуляции кровообращения.
Частным случаем гомойотермии является гетеротермия - разный уровень температуры тела в зависимости от функциональной активности организма. Гетеротермия свойственна животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку или временное оцепенение. При этом высокая температура их тела заметно снижается за счет замедленного обмена веществ (суслики, ежи, летучие мыши, птенцы стрижей и др.).
Пределы выносливости больших значений температурного фактора различны как у пойкилотермных, так и у гомойотермных организмов.
Эвритермные виды способны переносить колебания температуры в широких пределах.
Стенотермные организмы живут в условиях узких пределов температуры, подразделяясь на теплолюбивые стенотермные виды (орхидеи, чайный куст, кофе, кораллы, медузы и др.) и на холодолюбивые (кедровый стланик, предледниковая и тундровая растительность, рыбы полярных бассейнов, животные абиссали - области наибольших океанических глубин и т. п.).
Для каждого организма или группы особей существует, оптимальная зона температуры, в пределах которой деятельность выражена особенно хорошо. Выше этой зоны находится зона временного теплового оцепенения, еще выше - зона продолжительной бездеятельности или летней спячки, граничащая с зоной высокой летальной температуры. При понижении последней ниже оптимума находится зона холодового оцепенения, зимней спячки и летальной низкой температуры.
Распределение особей в популяции в зависимости от изменения температурного фактора по территории подчиняется в целом такой же закономерности. Зоне оптимальных температур соответствует наибольшая плотность популяции, а по обе стороны от нее наблюдается снижение плотности вплоть до границы ареала, где она наименьшая.
Температурный фактор на большой территории Земли подвержен резко выраженным суточным и сезонным колебаниям, что в свою очередь обусловливает соответствующий ритм биологических явлений в природе. В зависимости от обеспеченности тепловой энергией симметричных участков обоих полушарий земного шара, начиная от экватора, различают следующие климатические зоны:
- Тропическая зона . Минимальная среднегодовая температура превышает 16° C, в самые прохладные дни не опускается ниже 0° C. Колебания температуры во времени незначительны, амплитуда не превышает 5° C. Вегетация круглогодичная.
- Субтропическая зона . Средняя температура самого холодного месяца не ниже 4° C, а самого теплого - выше 20° C. Минусовые температуры редки. Устойчивый снежный покров зимой отсутствует. Вегетационный период продолжается 9-11 мес.
- Умеренная зона . Хорошо выражены летний вегетационный сезон и зимний период покоя растений. В основной части зоны устойчивый снежный покров. Весной и осенью типичны заморозки. Иногда эта зона подразделяется на две: умеренно теплую и умеренно холодную, для которых характерно четыре времени года.
- Холодная зона . Среднегодовая темлература ниже О° C, заморозки возможны даже в течение короткого (2-3 мес) вегетационного периода. Очень велико годовое колебание температуры.
Закономерность вертикального размещения растительности, почв, животного мира в горных районах обусловлена главным образом также температурным фактором. В горах Кавказа, Индии, Африки можно выделить четыре-пять растительных поясов, последовательность которых снизу вверх отвечает последовательности широтных зон от экватора к полюсу на одной и той же высоте.
Влажность
Экологический фактор, характеризующийся содержанием воды в воздухе, почве, живых организмах. В природе существует суточный ритм влажности: она повышается ночью и понижается днем. Вместе с температурой и светом влажность играет важную роль в регуляции активности живых организмов. Источником воды для растений и животных служат главным образом атмосферные осадки и подземные воды, а также роса и туман.
Влага - необходимое условие существования всех живых организмов на Земле. В водной среде зародилась жизнь. Обитатели суши и поныне зависимы от воды. Для многих видов животных и растений вода продолжает оставаться средой обитания. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, выступает важнейшим исходным, промежуточным и конечным продуктом биохимических превращений. Значимость воды определяется и ее количественным содержанием. Живые организмы состоят не менее чем на 3/4 из воды.
По отношению к воде высшие растения делятся на
- гидрофиты - водные растения (кувшинка, стрелолист, ряска);
- гигрофиты - обитатели избыточно увлажненных мест (аир, вахта);
- мезофиты - растения нормальных условий влажности (ландыш, валериана, люпин);
- ксерофиты - растения, живущие в условиях постоянного или сезонного дефицита влаги (саксаул, верблюжья колючка, эфедра) и их разновидности суккуленты (кактусы, молочаи).
Приспособления к обитанию в обезвоженной среде и среде с периодическим недостатком влаги Важной особенностью основных климатических факторов (света, температуры, влажности) является их закономерная изменчивость в течение годичного цикла и даже суток, а также в зависимости от географической зональности. В связи с этим приспособления живых организмов также имеют закономерный и сезонный характер. Приспособление организмов к условиям среды может быть быстрым и обратимым или довольно медленным, что зависит от глубины воздействия фактора. В результате жизнедеятельности организмы способны изменять абиотические условия жизни. Например, растения низшего яруса оказываются в условиях меньшей освещенности; процессы распада органических веществ, которые происходят в водоемах, часто вызывают дефицит кислорода для других организмов. За счет деятельности водных организмов изменяется температурный и водный режимы, количество кислорода, углекислого газа, рН среды, спектральный состав света и др. Воздушная среда и ее газовый состав
Освоение воздушной среды организмами началось после выхода их на сушу. Жизнь в воздушной среде потребовала специфических приспособлений и высокого уровня организации растений и животных. Низкая плотность и оводненность, высокое содержание кислорода, легкость перемещения воздушных масс, резкие перепады температуры и т. п. заметно сказались на процессе дыхания, водообмене и передвижении живых существ. Подавляющее большинство наземных животных в ходе эволюции приобрели способность к полету (75 % всех видов наземных животных). Для многих видов характерна ансмохория - расселение с помощью воздушных потоков (споры, семена, плоды, цисты простейших, насекомые, пауки и т. п.). Некоторые растения стали ветроопыляемыми. Для успешного существования организмов важны не только физические, но и химические свойства воздуха, содержание в нем нужных для жизни газовых компонентов. Кислород. Для абсолютного большинства живых организмов кислород жизненно необходим. В бескислородной среде могут развиваться только анаэробные бактерии. Кислород обеспечивает осуществление экзотермических реакций, в ходе которых освобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. Он является конечным акцептором электрона, который отщепляется от атома водорода в процессе энергетического обмена. В химически связанном состоянии кислород входит в состав многих очень важных органических и минеральных соединений живых организмов. Огромна его роль как окислителя в круговороте отдельных элементов биосферы. Единственными продуцентами свободного кислорода на Земле являются зеленые растения, которые образуют его в процессе фотосинтеза. Определенное количество кислорода образуется в результате фотолиза паров воды ультрафиолетовыми лучами за пределами озонового слоя. Поглощение организмами кислорода из внешней среды происходит всей поверхностью тела (простейшие, черви) или специальными органами дыхания: трахеями (насекомые), жабрами (рыбы), легкими (позвоночные).
Кислород химически связывается и переносится по всему организму специальными пигментами крови: гемоглобином (позвоночные), гемоциапином (моллюски, ракообразные). У организмов, пребывающих в условиях постоянного недостатка кислорода, выработались соответствующие приспособления: повышенная кислородная емкость крови, более частые и глубокие дыхательные движения, большой объем легких (у жителей высокогорья, птиц) или уменьшение использования кислорода тканями благодаря повышению количества миоглобина - аккумулятора кислорода в тканях (у обитателей водной среды). Вследствие высокой растворимости СО 2 и О 2 в воде относительное их содержание здесь выше (в 2-3 раза), чем в воздушной среде (рис. 1). Это обстоятельство очень важно для гидробионюв, использующих либо растворенный кислород для дыхания, либо СО 2 для фотосинтеза (водные фототрофы). Углекислый газ. Нормальное количество этого газа в воздухе невелико - 0,03 % (по объему) или 0,57 мг/л. Вследствие этого даже небольшие колебания в содержании СО 2 существенно отражаются па непосредственно зависящем от него процессе фотосинтеза. Главные источники поступления СО 2 в атмосферу - дыхание животных и растений, процессы горения, извержения вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и грибов, промышленные предприятия и транспорт. Обладая свойством поглощения в инфракрасной области спектра, углекислый газ влияет на оптические параметры и температурный режим атмосферы, обусловливая известный "парниковый эффект". Важным экологическим аспектом является повышение растворимости кислорода и углекислого газа в воде по мере уменьшения ее температуры. Именно поэтому фауна водных бассейнов полярных и приполярных широт очень обильна и разнообразна, главным образом за счет повышенной концентрации в холодной воде кислорода. Растворение кислорода в воде, как и любого другого газа, подчиняется закону Генри: оно обратно пропорционально температуре и прекращается при достижении точки кипения. В теплых водах тропических бассейнов пониженная концентрация растворенного кислорода ограничивает дыхание, а следовательно, и жизнедеятельность и численность водных животных. В последнее время наблюдается заметное ухудшение кислородного режима многих водоемов, вызванное увеличением количества органических загрязнителей, деструкция которых требует большого количества кислорода. Зональность распространения живых организмов
Географическая (широтная) зональность В широтном направлении с севера на юг на территории РФ последовательно располагаются такие природные зоны: тундра, тайга, лиственный лес, степь, пустыня. Среди элементов климата, которые определяют зональность размещения и распространения организмов, ведущую роль играют абиотические факторы - температура, влажность, световой режим. Наиболее заметно зональные изменения проявляются в характере растительности - ведущем компоненте биоценоза. Это в свою очередь сопровождается изменениями состава животных - потребителей и деструкторов органических остатков звеньев цепей питания. Тундра - холодная, безлесная равнина северного полушария. Климатические условия ее мало пригодны для вегетации растений и разложения органических остатков (вечная мерзлота, относительно низкая температура даже летом, короткий период плюсовых температур). Тут сформировались своеобразные малочисленные по видовому составу (мхи, лишайники) биоценозы. Продуктивность биоценоза тундры в связи с этим малая: 5-15 ц/га органического вещества в год. Зона тайги характеризуется относительно благоприятными почвенно-климатическими условиями, особенно для хвойных пород. Тут сформировались богатые и высокопродуктивные биоценозы. Ежегодное образование органического вещества составляет 15-50 ц/га. Условия умеренной зоны привели к формированию сложных биоценозов лиственных лесов с самой высокой на территории РФ их биологической продуктивностью (до 60 ц/га в год). Разновидностями лиственных лесов являются дубравы, буково-кленовые, смешанные леса и др. Такие леса характеризуются хорошо развитым кустарниковым и травянистым подлесками, что способствует размещению разнообразной по видам и количеству фауны. Степи - природная зона умеренного пояса полушарий Земли, которая характеризуется недостаточным водообеспечением, поэтому тут преобладает травянистая, преимущественно злаковая растительность (ковыль, типчак и др.). Животный мир разнообразен и богат (лисица, заяц, хомяк, мыши, много птиц, особенно перелетных). В степной зоне размещены важнейшие районы производства зерна, технических, овощных культур и животноводства. Биологическая продуктивность этой природной зоны относительно велика (до 50 ц/га в год). Пустыни преобладают в Средней Азии. Вследствие незначительного количества осадков и высокой температуры летом растительность занимает менее половины территории этой зоны и имеет специфические приспособления к засушливым условиям. Животный мир разнообразен, его биологические особенности рассматривались раньше. Ежегодное образование органической массы в зоне пустынь не превышает 5 ц/га (рис. 107). Соленость среды Соленость водной среды характеризуется содержанием в ней растворимых солей. В пресной воде содержится 0,5-1,0 г/л, а в морской - 10-50 г/л солей. Соленость водной среды имеет важное значение для ее обитателей. Существуют животные, приспособленные к обитанию только в пресной воде (карпообразные) или только в морской (сельдеобразные). У некоторых же рыб отдельные стадии индивидуального развития проходят при различной солености воды, например угорь обыкновенный обитает в пресных водоемах, а на нерест мигрирует в Саргассово море. Таким водным обитателям необходима соответствующая регуляция солевого баланса в организме.
Механизмы регуляции ионного состава организмов . Сухопутные животные вынуждены регулировать солевой состав своих жидких тканей для поддержания внутренней среды в постоянном или почти постоянном химически неизмененном ионном состоянии. Основной способ поддерживать солевой баланс у гидробионтов и сухопутных растений - избегать местообитаний с неподходящей соленостью. Особенно напряженно и безошибочно должны работать такие механизмы у мигрирующих рыб (лосося, кеты, горбуши, угря, осетра), которые периодически переходят из морской воды в пресную или наоборот. Проще всего происходит осмотическая регуляция в пресной воде. Известно, что в последней концентрация ионов значительно меньше, чем в жидких тканях. Согласно законам осмоса внешняя среда по концентрационному градиенту через полупроницаемые мембраны поступает внутрь клеток, происходит как бы "разведение" внутреннего содержимого. Если бы такой процесс не контролировался, организм мог бы разбухнуть и погибнуть. Однако пресноводные организмы имеют органы, которые выводят наружу лишнюю воду. Сохранению необходимых для жизнедеятельности ионов способствует то, что моча у таких организмов довольно разбавленная (рис. 2, а). Отделение такого разведенного раствора от внутренних жидкостей, вероятно, требует активной химической работы специализированных клеток или органов (почек) и потребления ими значительной доли общей энергии основного обмена. Наоборот, морские животные и рыбы пьют и усваивают только морскую воду, пополняя тем самым постоянный выход ее из организма во внешнюю среду, которая характеризуется высоким осмотическим потенциалом. При этом одновалентные ионы соленой воды активно выводятся наружу жабрами, а двухвалентные - почками (рис. 2, б). На откачку избыточной воды клетки затрачивают довольно много энергии, поэтому при возрастании солености и уменьшении воды в теле организмы обычно переходят к неактивному состоянию - солевому анабиозу. Это свойственно видам, обитающим в периодически пересыхающих лужах морской воды, лиманах, на литорали (коловратки, бо-коплавы, жгутиковые и др.) Соленость верхнего слоя земной коры определяется содержанием в ней ионов калия и натрия, и также, как и соленость водной среды, имеет важное значение для ее обитателей и, в первую очередь, растений, которые имеют к ней соответствующую приспособленность. Этот фактор для растений не случаен, он сопровождает их в течение эволюционного процесса. К почвам с высоким содержанием калия и натрия приурочена так называемая солончаковая растительность (солянка, солодка и др.). Верхний слой земной коры - это почва. Кроме солености почвы различают другие ее показатели: кислотность, гидротермический режим, аэрация почвы и т.п. В совокупности с рельефом эти свойства земной поверхности, получившие название эдафические факторы среды, оказывают экологическое воздействие на ее обитателей. Эдафические факторы среды Свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей.
В зависимости от эдафических факторов можно выделить ряд экологических групп растений. По реакции на кислотность почвенного раствора различают:
По отношению к химическому составу почвы растения делятся на
По отношению к отдельным элементам питания
По отношению к механическому составу
Рельеф местности и характер грунта существенно влияют на специфику передвижения животных, на распределение видов, жизнедеятельность которых временно или постоянно связана с почвой. От гидротермического режима почв, их аэрации, механического и химического составов зависят характер корневой системы (глубинная, поверхностная), образ жизни почвенной фауны. Химический состав почвы и разнообразие обитателей влияют на ее плодородие. Наиболее плодородными являются черноземные почвы, богатые перегноем. Как абиотический фактор рельеф оказывает влияние на распределение климатических факторов и, таким образом, на формирование соответствующих флоры и фауны. Например, на южных склонах холмов или гор всегда более высокая температура, лучшая освещенность и соответственно меньшая влажность. | |||
Введение………………………………………………………………………………………….3
Абиотические факторы………………………………………………………………………… 4
Биотические факторы…………………………………………………………………………... 8
Антропогенные факторы………………………………………………………………………. 9
Законы воздействия экологических факторов на живые организмы……………………….11
Заключение…………………………………………………………………………………….. 13
Список литературы……………………………………………………………………………14
Введение
Несмотря на многообразие экологических факторов и различную природу их происхождения, существуют некоторые общие правила и закономерности их воздействия на живые организмы.
Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называется лимитирующим фактором . Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик органик Ю. Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума (закон Либиха).
В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности . Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору.
Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.
Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам.
В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом.
Предел толерантности организма изменяется при переходе из одной стадии развития в другую. Часто молодые организмы оказываются более уязвимыми и более требовательными к условиям среды, чем взрослые особи. Наиболее критическим с точки зрения воздействия разных факторов является период размножения: в этот период многие факторы становятся лимитирующими. Экологическая валентность для размножающихся особей, семян, эмбрионов, личинок, яиц обычно уже, чем для взрослых не размножающихся растений или животных того же вида.
До сих пор речь шла о пределе толерантности живого организма по отношению к одному фактору, но в природе все экологические факторы действуют совместно.
Оптимальная зона и пределы выносливости организма по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействия экологических факторов .
Однако взаимная компенсация имеет определенные пределы и полностью заменить один из факторов другим нельзя. Отсюда следует вывод, что все условия среды, необходимые для поддержания жизни, играют равную роль и любой фактор может ограничивать возможности существования организмов - это закон равнозначности всех условий жизни .
Абиотические факторы
Абиотические факторы - компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы.
Среди абиотических факторов выделяют:
1. Климатические (влияние температуры, света и влажности);
2. Геологические (землетрясение, извержение вулканов, движение ледников, сход селей и лавин и др.);
3. Орографические (особенности рельефа местности, где обитают изучаемые организмы).
4. Химические (газовый состав воздуха, солевой состав воды, кислотность).
Рассмотрим действие основных прямодействующих абиотических факторов: света, температуры и наличия воды. Температура, свет и влажность являются наиболее важными факторами внешней среды. Эти факторы закономерно изменяются как в течение года и суток, так и в связи с географической зональностью. К этим факторам организмы обнаруживают зональный и сезонный характер приспособления.
Свет как экологический фактор
Солнечное излучение является основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. В спектре солнечного излучения можно выделить три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,290 мкм губительны для всего живого, но они задерживаются озоновым слоем атмосферы. До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (0,300 - 0,400 мкм). Они составляют около 10% лучистой энергии. Эти лучи обладают высокой химической активностью - при большой дозе могут повреждать живые организмы. В небольших количествах, однако, они необходимы, например, человеку: под влиянием этих лучей в организме человека образуется витамин Д, а насекомые зрительно различают эти лучи, т.е. видят в ультрафиолетовом свете. Они могут ориентироваться по поляризованному свету.
Видимые лучи с длиной волны от 0,400 до 0,750 мкм (на их долю приходится большая часть энергии - 45% - солнечного излучения), достигающие поверхности Земли, имеют особенно большое значение для организмов. Зеленые растения за счет этого излучения синтезируют органическое вещество (осуществляют фотосинтез), которое используют в пищу все остальные организмы. Для большинства растений и животных видимый свет является одним из важных факторов среды, хотя есть и такие, для которых свет не является обязательным условием существования (почвенные, пещерные и глубоководные виды приспособления к жизни в темноте). Большинство животных способны различать спектральный состав света - обладать цветовым зрением, а у растений цветки имеют яркую окраску для привлечения насекомых-опылителей.
Инфракрасные лучи с длиной волны более 0,750 мкм глаз человека не воспринимает, но они являются источником тепловой энергии (45% лучистой энергии). Эти лучи поглощаются тканями животных и растений, вследствие чего ткани нагреваются. Многие хладнокровные животные (ящерицы, змеи, насекомые) используют солнечный свет для повышения температуры тела (некоторые змеи и ящерицы являются экологически теплокровными животными). Световые условия, связанные с вращением Земли, имеют отчетливую суточную и сезонную периодичность. Почти все физиологические процессы у растений и животных имеют суточный ритм с максимумом и минимумом в определенные часы: например, в определенные часы суток цветок у растений открывается и закрывается, а у животных возникли приспособления к ночной и дневной жизни. Длина дня (или фотопериод), имеет огромное значение в жизни растений и животных.
Растения, в зависимости от условий обитания, адаптируются к тени - теневыносливые растения или, напротив, к солнцу - светолюбивые растения (к примеру, хлебные злаки). Однако сильное яркое солнце (яркость выше оптимальной) подавляет фотосинтез, поэтому в тропиках трудно получить высокий урожай культур, богатый белком. В умеренных зонах (выше и ниже экватора) цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года: подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала - изменения длины дня, которая в определенное время года в данном месте всегда одинакова. В результате этого сигнала включаются физиологические процессы, приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношения летом и сбрасывания листьев осенью; у животных - к линьке, накоплению жира, миграции, размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых. Изменение длины дня животные воспринимают с помощью органов зрения. А растения - с помощью специальных пигментов, расположенных в листьях растений. Раздражения воспринимаются с помощью рецепторов, вследствие чего происходит ряд биохимических реакций (активация ферментов или выделение гормонов), а затем проявляются физиологические или поведенческие реакции.
Изучение фотопериодизма растений и животных показало, что реакция организмов на свет основана не просто на количестве получаемого света, а на чередовании в течение суток периодов света и темноты определенной длительности. Организмы способны измерять время, т.е. обладают “биологическими часами” - от одноклеточных до человека. “Биологические часы” - также управляются сезонными циклами и другими биологическими явлениями. “Биологические часы” определяют суточный ритм активности как целых организмов, так и процессов, происходящих даже на уровне клеток, в частности клеточных делений.
Температура как экологический фактор
Все химические процессы, протекающие в организме, зависят от температуры. Изменения тепловых условий, часто наблюдаемые в природе, глубоко отражаются на росте, развитии и других проявлениях жизнедеятельности животных и растений. Различают организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные и организмы с постоянной температурой тела - гомойтермные. Пойкилотермные животные целиком зависят от температуры окружающей среды, тогда как гомойтермные способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от изменений температуры окружающей среды. Подавляющее большинство наземных растений и животных в состоянии активной жизнедеятельности не переносит отрицательной температуры и погибает. Верхний температурный предел жизни неодинаков для разных видов - редко выше 40-45 оС. Некоторые цианобактерии и бактерии обитают при температурах 70-90 оС, в горячих источниках могут жить и некоторые моллюски (до 53 оС). Для большинства наземных животных и растений оптимум температурных условий колеблется в довольно узких пределах (15-30 оС). Верхний порог температуры жизни определяется температурой свертывания белков, поскольку необратимое свертывание белков (нарушение структуры белков) возникает при температуре около 60 oС.
Пойкилотермные организмы в процессе эволюции выработали различные приспособления к изменяющимся температурным условиям среды. Главным источником поступления тепловой энергии у пойкилотермных животных - внешнее тепло. У пойкилотермных организмов выработались различные приспособления к низкой температуре. Некоторые животные, например, арктические рыбы, обитающие постоянно при температуре -1,8 oС, содержат в тканевой жидкости вещества (гликопротеиды), препятствующие образованию кристаллов льда в организме; у насекомых накапливается для этих целей глицерин. Другие животные, наоборот, увеличивают теплопродукцию организма за счет активного сокращения мускулатуры - так они повышают температуру тела на несколько градусов. Третьи регулируют свой теплообмен за счет обмена тепла между сосудами кровеносной системы: сосуды, выходящие из мышц, тесно соприкасаются с сосудами, идущими от кожи и несущими охлажденную кровь (такое явление свойственно холодноводным рыбам). Адаптивное поведение проявляется в том, что многие насекомые, рептилии и амфибии выбирают места на солнце для обогрева или меняют различные позы для увеличения поверхности обогрева.
У ряда холоднокровных животных температура тела может меняться в зависимости от физиологического состояния: к примеру, у летающих насекомых внутренняя температура тела может подниматься на 10-12 oС и более вследствие усиленной работы мышц. У общественных насекомых, особенно у пчел, развился эффективный способ поддержания температуры путем коллективной терморегуляции (в улье может поддерживаться температура 34-35 oС, необходимая для развития личинок).
Пойкилотермные животные способны приспосабливаться и к высоким температурам. Это происходит также разными способами: теплоотдача может происходить за счет испарения влаги с поверхности тела или со слизистой верхних дыхательных путей, а также за счет подкожной сосудистой регуляции (например, у ящериц скорость тока крови по сосудам кожи увеличивается при повышении температуры).
Наиболее совершенная терморегуляция наблюдается у птиц и млекопитающих - гомойтермных животных. В процессе эволюции они приобрели способность поддерживать постоянную температуру тела благодаря наличию четырехкамерного сердца и одной дуги аорты, что обеспечило полное разделение артериального и венозного кровотока; высокого обмена веществ; перьевого или волосяного покрова; регуляции теплоотдачи; хорошо развитой нервной системы приобрели способность к активной жизни при разной температуре. У большинства птиц температура тела несколько выше 40 oС, а у млекопитающих - несколько ниже. Весьма важное значение для животных имеет не только способность к терморегуляции, но и адаптивное поведение, постройка специальных убежищ и гнезд, выбор места с более благоприятной температурой и т.п. Они также способны приспосабливаться к низким температурам несколькими путями: кроме перьевого или волосяного покрова, теплокровные животные с помощью дрожи (микросокращения внешне неподвижных мышц) уменьшают теплопотери; при окислении бурой жировой ткани у млекопитающих образуется дополнительная энергия, поддерживающая обмен веществ.
Приспособление теплокровных к высоким температурам во многом сходно с аналогичными приспособлениями холоднокровных - потоотделение и испарение воды со слизистой рта и верхних дыхательных путей, у птиц - только последний способ, так как у них нет потовых желез; расширение кровеносных сосудов, расположенных близко к поверхности кожи, что усиливает теплоотдачу (у птиц этот процесс протекает в неоперенных участках тела, например через гребень). Температура, как и световой режим, от которого она зависит, закономерно меняется в течение года и в связи с географической широтой. Поэтому все приспособления более важны для обитания при отрицательных температурах.
Вода как экологический фактор
Вода играет исключительную роль в жизни любого организма, поскольку она является структурным компонентом клетки (на долю воды приходится 60-80% массы клетки). Значение воды в жизни клетки определяется ее физико-химическими свойствами. Вследствие полярности молекула воды способна притягиваться к любым другим молекулам, образуя гидраты, т.е. является растворителем. Многие химические реакции могут протекать происходить только в присутствии воды. Вода является в живых системах “тепловым буфером”, поглощая тепло при переходе из жидкого состояния в газообразное, тем самым предохраняя неустойчивые структуры клетки от повреждения при кратковременном освобождении тепловой энергии. В связи с этим она производит охлаждающий эффект при испарении с поверхности и регулирует температуру тела. Теплопроводные свойства воды определяют ее ведущую роль терморегулятора климата в природе. Вода медленно нагревается и медленно охлаждается: летом и днем вода морей океанов и озер нагревается, а ночью и зимой также медленно охлаждается. Между водой и воздухом происходит постоянный обмен углекислым газом. Кроме того, вода выполняет транспортную функцию, перемещая вещества почвы сверху вниз и обратно. Роль влажности для наземных организмов обусловлена тем, что осадки распределяются на земной поверхности в течение года неравномерно. В засушливых районах (степи, пустыни) растения добывают себе воду с помощью сильно развитой корневой системы, иногда очень длинных корней (у верблюжьей колючки - до 16 м), достигающих влажного слоя. Высокое осмотическое давление клеточного сока (до 60-80 атм), увеличивающее сосущую силу корней, способствует удержанию воды в тканях. В сухую погоду растения снижают испарение воды: у пустынных растений утолщаются покровные ткани листа, либо на поверхности листьев развивается восковой слой или густое опушение. Ряд растений достигает снижения влаги уменьшением листовой пластинки (листья превращаются в колючки, часто растения полностью теряют листья - саксаул, тамариск и др.).
В зависимости от требований, предъявляемых к водному режиму, среди растений различают следующие экологические группы:
Гидратофиты – растения постоянно живущие в воде;
Гидрофиты- растения лишь частично погружаемые в воду;
Гелофиты- болотные растения;
Гигрофиты- наземные растения, обитающие в чрезмерно увлажненых местах;
Мезофиты- предпочитают умеренное увлажнение;
Ксерофиты- растения, приспособленные к постоянном недостатку влаги; среди ксерофитов различают:
Cуккуленты- накапливающие воду в тканях своего тела (сочные);
Cклерофиты- теряющие значительное количество воды.
Многие животные пустынь способны обходиться без питьевой воды; некоторые быстро и долго могут бегать, совершая длинные миграции на водопой (сайгаки, антилопы, верблюды и др.); часть животных добывает воду из пищи (насекомые, пресмыкающиеся, грызуны). Жировые отложения пустынных животных могут служить своеобразным резервом воды в организме: при окислении жиров образуется вода (отложения жира в горбе верблюдов или подкожные отложения жира у грызунов). Малопроницаемые покровы кожи (например, у пресмыкающихся,) защищают животных от потери влаги. Многие животные перешли к ночному образу жизни или скрываются в норах, избегая иссушающего действия низкой влажности и перегрева. В условиях периодической сухости ряд растений и животных переходят в состояние физиологического покоя - растения приостанавливают рост и сбрасывают листья, животные впадают в спячку. Эти процессы сопровождаются пониженным обменом веществ в период сухости.
Биотические факторы
Биотические факторы - совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на жизнедеятельность других (внутривидовые и межвидовые взаимодействия), а также на неживую среду обитания.
Функциональная система, включающая в себя сообщество живых существ и их среду обитания, называется экологической системой (или экосистемой). В такой системе связи между ее компонентами возникают прежде всего на пищевой основе и основе способов получения энергии. По способу питания, получения и использования энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные. В некоторые экосистемы (к примеру, почвенные) входят часто анаэробные микроорганизмы. В процессе питания аэробные гетеротрофы разлагают органическое вещество до углекислоты, воды и минеральных солей, которые в свою очередь могут быть использованы повторно автотрофами. В природе формируется непрерывный круговорот биогенных веществ: автотрофы извлекают необходимые для жизни химические вещества из окружающей среды и через ряд гетеротрофов вновь в нее возвращаются. Все процессы осуществляются за счет притока энергии извне - лучистая энергия Солнца является источником этой энергии. Поэтому системы, получающие энергию от Солнца, называются открытыми. Круговорот веществ возник в процессе эволюции, что является непременным условием существования жизни. Световая энергия Солнца трансформируется организмами в другие формы: в химическую, механическую и, наконец, в тепловую. В соответствии с законами термодинамики такие превращения всегда сопровождаются рассеиванием части энергии в форме тепла.
Пищевые цепи и трофические уровни
В экологических системах в процессе эволюции сложились цепи взаимосвязанных видов, последовательно извлекающих материалы и энергию из исходного пищевого вещества. Такая последовательность называется пищевой цепью, а каждое ее звено- трофическим уровнем. Первый трофический уровень занимают организмы автотрофы, или так называемые первичные продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами,третьего- вторичными консументами и т. д. Последний уровень обычно занимают редуценты или детритофаги. Редуцентами называют сапрофитные организмы, разлагающие сложные органические соединения до относительно простых неорганических веществ. Кусочки частично разложившегося материала называют детритом, а мелких животных питающихся им- детритофагами (например: дождевой червь, мокрица, личинка падальной мухи и др.). Ниже приводится характеристика каждого звена пищевой цепи, а их последовательность показана на рисунке.
В пищевой цепи зеленые растения - это те организмы, которые создают начальное органическое вещество, используя энергию Солнца. Лишь только около 1% энергии, падающей на растения, превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ и может быть использовано в дальнейшем при питании гетеротрофными организмами. При потреблении этой пищи животными организмами только 5-20% энергии пищи переходит во вновь построенное тело животного, остальная часть энергии, содержащейся в зеленом растении, расходуется на различные процессы жизнедеятельности животного, превращаясь в тепло и рассеиваясь. При поедании травоядного животного хищником часть накопленной энергии также расходуется. Вследствие потери полезной энергии цепи питания не могут быть очень длинными, чаще такая цепь состоит из 3-5 звеньев (трофических уровней). Поэтому на каждом последующем трофическом уровне количество образующегося органического вещества резко уменьшается из-за потери энергии. В типичных пищевых цепях хищников плотоядные животные оказываются крупнее на каждом следующем трофическом уровне.
Растительный материал (например, нектар) ¨ муха ¨ паук ¨ землеройка ¨ сова
Существуют два типа пищевых цепей- пастбищные и детритные. Выше мы привели примеры пастбищных пищевых цепей. Пищеавя цепь другого типа – цепь, начинающаяся с детрита:
Детрит ¨ детритофаг ¨ хищник
Листовая подстилка ¨ Дождевой червь ¨ Черый дрозд ¨ Ястреб- перепелятник
Экологические пирамиды
Можно привести простой расчет: если принять за основу (округленно), что в вещество тела животного переходит в среднем 10% энергии съеденной пищи, то за счет 1 т растительной массы может образоваться 100 кг массы хищника. В действительности эти цифры могут быть и иными, поскольку коэффициент использования энергии неодинаков у разных видов. Выявляется четкая закономерность, называемая правилом экологической пирамиды: количество растительного вещества в несколько раз больше, чем общая масса растительноядных животных, а масса каждого последующего звена пищевой цепи также прогрессивно уменьшается.
1. Пирамида чисел отражает число особей на каждом уровне пищевой цепи;
2. Пирамида биомассы - количество органического вещества (биомассу) на каждом уровне;
3. Пирамида энергии - количество энергии в пище.
Все эти категории, различаясь по абсолютным значениям, имеют одинаковую направленность. Пищевые связи в экосистеме не являются прямолинейными, так как компоненты экосистемы находятся между собой в сложных взаимодействиях.
Антропогенные факторы
Антропогенные факторы - совокупность факторов окружающей среды, обусловленных случайной или преднамеренной деятельностью человека за период его существования.
Антропогенные факторы среды, внесённые в природу человеческой деятельностью изменения, воздействующие на органический мир (см. Экология). Переделывая природу и приспосабливая её к своим потребностям, человек изменяет среду обитания животных и растений, влияя тем самым на их жизнь. Воздействие может быть косвенным и прямым. Косвенное воздействие осуществляется путём изменения ландшафтов - климата, физического состояния и химизма атмосферы и водоёмов, строения поверхности земли, почв, растительности и животного населения. Большое значение приобретает увеличение радиоактивности в результате развития атомной промышленности и особенно испытаний атомного оружия. Человек сознательно и бессознательно истребляет или вытесняет одни виды растений и животных, распространяет другие или создаёт для них благоприятные условия. Для культурных растений и домашних животных человек создал в значительной степени новую среду, многократно увеличив продуктивность освоенных земель. Но это исключило возможность существования многих диких видов. Увеличение народонаселения Земли и развитие науки и техники привели к тому, что в современных условиях очень трудно найти участки, не затронутые деятельностью человека (девственные леса, луга, степи и т. д.). Неправильная распашка земель и неумеренный выпас скота не только привели к гибели естественных сообществ, но и усилили водную и ветровую эрозию почв и обмеление рек. Вместе с тем возникновение селений и городов создало благоприятные условия для существования многих видов животных и растений (см. Синантропные организмы). Развитие промышленности не обязательно приводило к обеднению живой природы, но часто способствовало появлению новых форм животных и растений. Развитие транспорта и других средств сообщения способствовало распространению как полезных, так и многих вредных видов растений и животных (см. Антропохория). Прямое воздействие направлено непосредственно на живые организмы. Например, нерациональные рыболовство и охота резко сократили численность ряда видов. Нарастающая сила и убыстряющиеся темпы изменения природы человеком вызывают необходимость её охраны (см. Охрана природы). Целенаправленное, сознательное преобразование природы человеком с проникновением в микромир и космос знаменует собой, по В. И. Вернадскому (1944), формирование «ноосферы» - оболочки Земли, измененной человеком.
Законы воздействия экологических факторов на живые организмы
Список используемой литературы
1.Благосклонов К. Н., Иноземцов А. А., Тихомиров В. Н., «Охрана природы», М., 1967.
К абиотическим факторам среды относят субстрат и его состав, влажность, температуру, свет и другие виды излучений в природе, и его состав, и микроклимат. Следует отметить, что температуру, состав воздуха, влажность и свет можно условно отнести к «индивидуальным», а субстрат, климат, микроклимат и др. - к «комплексным» факторам.
Субстрат (буквально) - это место прикрепления. Например, для древесных и травянистых форм растений, для почвенных микроорганизмов это почва. В ряде случаев субстрат можно считать синонимом среды обитания (например, почва - это эдафическая среда обитания). Субстрат характеризуется определенным химическим составом, который оказывает влияние на организмы. Если субстрат понимается как среда обитания, то он в этом случае представляет собой комплекс характерных для него биотических и абиотических факторов, к которым приспосабливается тот или иной организм.
Характеристика температуры как абиотического фактора среды
Роль температуры как экологического фактора сводится к тому, что она влияет на обмен веществ: при низких температурах скорость биоорганических реакций сильно замедляется, а при высоких - значительно увеличивается, что приводит к нарушению равновесия в протекании биохимических процессов, а это вызывает различные заболевания, а иногда и летальный исход.
Влияние температуры, на растительные организмы
Температура не только является фактором, определяющим возможность обитания растений на той или иной территории, но она для некоторых растений оказывает влияние на процесс их развития. Так, озимые сорта пшеницы и ржи, которые при прорастании не подверглись процессу «яровизации» (воздействию низких температур), не дают семян при их произрастании в самых благоприятных условиях.
Для перенесения воздействия низких температур растения имеют различные приспособления.
1. В зимний период цитоплазма теряет воду и накапливает вещества, обладающие эффектом «антифриза» (это моносахара, глицерин и другие вещества) - концентрированные растворы таких веществ замерзают только при низких температурах.
2. Переход растений в стадию (фазу), устойчивую к воздействию низких температур - стадия спор, семян, клубней, луковиц, корневищ, корнеплодов и т. д. Древесные и кустарниковые формы растений сбрасывают листья, стебли покрываются пробкой, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, а в живых клетках накапливаются вещества-антифризы.
Влияние температуры на животные организмы
Температура по-разному влияет на пойкилотермных и гомойотермных животных.
Пойкилотермные животные активны только в период оптимальных для их жизнедеятельности температур. В период низких температур они впадают в спячку (земноводные, пресмыкающиеся, членистоногие и др.). Некоторые насекомые перезимовывают или в виде яиц, или в виде куколок. Нахождение организма в спячке характеризуется состоянием анабиоза, при котором процессы обмена очень сильно заторможены и организм может длительное время обходиться без пищи. В спячку пойкилотермные животные могут впадать и под воздействием высоких температур. Так, животные в нижних широтах в жаркое время дня находятся в норах, а период их активной жизнедеятельности приходится на раннее утро или поздний вечер (либо они ведут ночной образ жизни).
В спячку животные организмы впадают не только за счет воздействия температуры, но и за счет других факторов. Так, медведь (гомойотермное животное) впадает в спячку зимой из-за недостатка пищи.
Гомойотермные животные в меньшей степени в своей жизнедеятельности зависят от температуры, но температура влияет на них с точки зрения наличия (отсутствия) кормовой базы. Эти животные имеют следующие приспособления к преодолению воздействия низких температур:
1) животные перемещаются из более холодных областей в более теплые (перелеты птиц, миграции млекопитающих);
2) изменяют характер покрова (летний мех или оперение заменяются на более густой зимний; накапливают большой слой жира - дикие свиньи, тюлени и др.);
3) впадают в спячку (например, медведь).
Гомойотермные животные имеют приспособления для снижения воздействия температур (как повышенных, так и пониженных). Так, у человека имеются потовые железы, которые изменяют характер секреции при повышенных температурах (количество секрета увеличивается), изменяется просвет кровеносных сосудов в коже (при низких температурах он уменьшается, а при высоких - увеличивается) и т. д.
Излучения как абиотический фактор
И в жизни растений, и в жизни животных огромную роль играют различные излучения, которые или попадают на планету извне (солнечные лучи), или выделяются из недр Земли. Здесь рассмотрим в основном солнечные излучения.
Солнечные излучения неоднородны и состоят из электромагнитных волн разной длины, а следовательно, обладают и различной энергией. Поверхности Земли достигают лучи как видимого, так и невидимого спектра. К лучам невидимого спектра относятся инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, а лучи видимого спектра имеют семь наиболее различимых лучей (от красного до фиолетового). квантов излучений увеличивается от инфракрасного до ультрафиолетового (т. е. ультрафиолетовые лучи содержат кванты наиболее коротких волн и наибольшей энергии).
Солнечные лучи имеют несколько экологически важных функций:
1) благодаря солнечным лучам на поверхности Земли реализуется определенный температурный режим, имеющий широтный и вертикальный зональный характер;
При отсутствии воздействия человека состав воздуха, тем не менее, может различаться в зависимости от высоты над уровнем моря (с высотой содержание кислорода и углекислого газа уменьшается, так как эти газы тяжелее азота). Воздух приморских районов обогащен парами воды, в которых содержатся морские соли в растворенном состоянии. Воздух леса отличается от воздуха полей примесями соединений, выделяемых различными растениями (так, воздух соснового бора содержит большое количество смолистых веществ и эфиров, убивающих болезнетворные микроорганизмы, поэтому этот воздух является целебным для больных туберкулезом).
Важнейшим комплексным абиотическим фактором является климат.
Климат - это совокупный абиотический фактор, включающий в себя определенный состав и уровень солнечной радиации, связанный с ним уровень температурного и влажностного воздействия и определенный режим ветров. Климат зависит также от характера растительности, произрастающей на данной территории, и от рельефа местности.
На Земле наблюдается определенная широтная и вертикальная климатическая зональность. Различают влажный тропический, субтропический, резко континентальный и другие разновидности климата.
Повторите сведения о различных видах климата по учебнику физической географии. Рассмотрите особенности климата той территории, на которой вы живете.
Климат как совокупный фактор формирует тот или иной тип растительности (флоры) и тесно связанный с ним тип фауны. Большое влияние на климат оказывают поселения людей. Климат больших городов отличается от климата пригородных зон.
Сравните температурный режим города, в котором вы живете, и режим температур области, где находится город.
Как правило, температура в черте города (особенно в центре) всегда выше, чем в области.
С климатом тесно связан микроклимат. Причиной возникновения микроклимата являются различия в рельефе на данной территории, наличие водоемов, что приводит к изменению условий на разных территориях данной климатической зоны. Даже на относительно небольшой территории дачного участка на отдельных его частях могут возникать различные условия для произрастания растений из-за разных условий освещения.
Среды определяются климатическими условиями, а также почвенными и водными.
Классификация
Существует несколько классификаций абиотических факторов. Одна из самых популярных делит их на такие составляющие:
- физические факторы барометрическое давление, влажность);
- химические факторы (состав атмосферы, минеральные и органические вещества почвы, уровень рН в почве и другие)
- механические факторы (ветер, оползни, движения воды и почвы, рельеф местности и др.)
Абиотические факторы окружающей среды существенным образом влияют на распространение видов и определяют их ареал, т.е. географическую зону, которая является местом обитания тех или иных организмов.
Температура
Особое значение отводится температуре, так как это важнейший показатель. В зависимости от температуры, абиотические факторы среды различаются термическими поясами, с которыми связана жизнь организмов в природе. Это — холодный, умеренный, тропический и Температура, которая благоприятна для жизнедеятельности организмов, называется оптимальной. Почти все организмы способны жить в диапазоне 0°- 50°С.
В зависимости от способности существовать в разных температурных условиях, их классифицируют как:
- эвритермные организмы, приспособленные к условиям резких температурных колебаний;
- стенотермные организмы, существующие в узком температурном диапазоне.
Эвритермными считают организмы, обитающие преимущественно там, где преобладает континентальный климат. Эти организмы способны выдерживать жесткие температурные колебания (личинки двукрылых, бактерии, водоросли, гельминты). Некоторые эвритермные организмы могут впадать в состояние спячки, если «ужесточается» температурный фактор. Обмен веществ в таком состоянии значительно снижается (барсуки, медведи и др.).
Стенотермные организмы могут быть как среди растений, так и животных. Например, большинство морских животных выживают при температуре до 30°С.
Животных разделяют по способности поддерживать собственную терморегуляцию, т.е. постоянную температуру тела, на так называемых пойкилотермных и гомойотермных. Первые могут менять свою температуру, тогда как у вторых, она всегда постоянная. Все млекопитающие и ряд птиц являются гомойотермными животными. К пойкилотермным относят все организмы, кроме некоторых видов птиц и млекопитающих. Температура тела у них близка к температуре окружающей среды. В ходе эволюция животные, относящиеся к гомойотермным, приспособились защищаться от холода (спячка, миграции, мех и другое).
Свет
Абиотические факторы среды - это свет и его интенсивность. Его важность особенно велика для фотосинтезирующих растений. На уровень фотосинтеза влияет интенсивность качественный состав света, распределение света во времени. Однако при этом известны бактерии и грибы, которые могут продолжительное время размножаться в полной темноте. Растения разделяют на светолюбивые, тепловыносливые и теплолюбивые.
Для многих животных важна продолжительность светового дня, которая влияет на половую функцию, увеличивая ее в период длинного светового дня и угнетая при коротком (осень или зима).
Влажность
Влажность является комплексным фактором и представляет собой количество водяных паров в воздушной среде и воды в почве. От уровня влажности зависит продолжительность жизни клеток, а, соответственно, и всего организма. На влажность почвы влияет количество осадков, глубина залегания воды в почве и другие условия. Влага необходима для растворения минеральных веществ.
Абиотические факторы водной среды
Химические факторы не уступают по своему значению физическим факторам. Большая роль принадлежит газовому а также составу водной среды. Почти все организмы нуждаются в кислороде, а ряд организмов — в азоте, сероводороде или метане.
Физические абиотические факторы среды представляет газовый состав, который чрезвычайно важен для тех живых существ, которые обитают в водной среде. В водах Черного моря, например, много сероводорода, из-за чего этот бассейн считается не очень благоприятным для многих организмов. Соленость - важная составляющая водной среды. Больше всего водных животных проживает в соленых водах, меньшее количество — в пресных водах, а еще меньшее — в немного солоноватой воде. На распространение и размножение водных животных влияет способность к поддержанию солевого состава внутренней среды.
Согласно последним данным, горные области с различными морфометрическими характеристиками и специфическими климатами занимают около 36% площади Земли. Горный рельеф занимает значительные площади и в нашей стране.
Влияние рельефа на климат велико и чрезвычайно разнообразно. Оно имеет две характерные черты:
1) под влиянием особенностей рельефа создаются специфические черты климата внутри горных стран;
2) горные системы, нарушая процессы адвекции воздушных масс и атмосферной циркуляции, оказывают существенное влияние на климат и погоду прилегающих районов.
Это в значительной степени зависит от формы и композиционной структуры отдельных долин и хребтов внутри гор, а также от положения (меридиональное или широтное) и масштаба горной системы в целом.
М.А. Петросянц подразделяет орографические влияния на атмосферные процессы на три класса:
1) крупномасштабные влияния орографии на формирование общего климатического распределения воздушных течений и планетарных систем циркуляции;
2) влияние орографии на мезомасштабные процессы, т. е. на возникновение, развитие, движение циклонов и антициклонов, обострение и размывание атмосферных фронтов вблизи гор (так называемый орографический циклогенез и фронтогенез);
3) локальные орографические влияния, обусловливающие появление разнообразных особенностей в ходе метеорологических величин, связанных с конкретными формами рельефа небольшой протяженности (долина, склон, перевал и др.).
Вследствие этих влияний в горных районах создается большая неравномерность (пятнистость) в пространственном распределении облачности, ветра, особенно осадков и опасных явлений погоды. Масштабы воздействия рельефа на атмосферные погодообразующие процессы различны. Так, по горизонтали влияние гор в зависимости от их высоты и протяженности может проявляться на расстоянии до 500 км и более. Например, среднегорная система Украинских Карпат оказывает заметное влияние на распределение осадков в прилегающих районах (от 100 до 300 км в зависимости от направления влагонесущего потока). По вертикали влияние крупных горных систем (Кавказ, Памир, Гималаи и др.) на воздушные потоки и термический режим тропосферы может распространяться до высоты 10–12 км. Как показали теоретические исследования академика А.А. Дородницына, даже сравнительно небольшие возвышенности (Донецкая, Среднерусская и др., высотой 200–400 м над ур. м.), расположенные среди равнины и имеющие значительную горизонтальную протяженность, могут оказывать воздействие на погодообразующие процессы, которое прослеживается до высоты 4 км.
В горах основными климатообразующими факторами, кроме географической широты и атмосферной циркуляции, являются следующие особенности рельефа:
- высота места над уровнем моря;
- форма (тип) рельефа;
- экспозиция;
- крутизна склонов.
Хотя абсолютная высота является основным из них, однако разнообразное влияние форм рельефа, экспозиции склонов и степени защищенности места оказывается иногда столь значительным, что полностью нивелируют ее роль. Вследствие различного влияния указанных факторов рельефа на атмосферные и радиационные процессы формируется особый тип климата, называемый горным климатом . Даже на довольно близких участках могут создаваться местные вариации климата (микроклиматы), проявляющиеся в его чрезвычайной пестроте, а также вертикальной зональности.