Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.5. Экологическое значение основных абиотических факторов в жизнедеятельности организмов. Экологическая емкость среды
Свет. При солнечной радиации через атмосферу около 19 % поглощается облаками, водяными парами и т.д., 34 % отражается обратно в космос, 47 % достигает земной поверхности, из них 24 % – прямая радиация и 23 % – отраженные лучи.
Для растений солнечный свет необходим, прежде всего, как источник энергии для фотосинтеза. По отношению к условиям освещенности растения делят на следующие экологические группы.
Гелиофиты (светолюбивые) – растения, обитающие в условиях хорошего освещения. Они имеют мелкие листья, сильно ветвящиеся побеги, значительное количество пигментов в листьях и др.
Сциофиты (тенелюбивые) – растения, плохо переносящие прямые солнечные лучи. Для них характерны крупные, тонкие листья, расположенные горизонтально, с меньшим количеством устьиц.
Факультативные гелиофиты (теневыносливые) – растения, способные обитать как в условиях хорошего освещения, так и в условиях затенения.
Для животных свет – это условие ориентации. Животные бывают с дневным, ночным и сумеречным образом жизни.
Реакция организмов на продолжительность дня называется фотопериодизм.
Температура. В зависимости от того, какой источник преобладает в тепловом балансе, живые организмы делят на пойкилотермных и гомойотермных.
Пойкилотермные организмы – организмы с непостоянной внутренней температурой тела, меняющейся в зависимости от температуры внешней среды. К ним относятся микроорганизмы, растения, беспозвоночные и низшие позвоночные животные.
Гомойотермные организмы – организмы, способные поддерживать внутреннюю температуру тела относительно постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Это птицы и млекопитающие.
Вода. Наиболее важные функции и свойства воды следующие:
Вода как растворитель является лучшим из известных растворителей, в ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Многие химические реакции в клетке являются ионными, поэтому протекают только в водной среде.
Вода как реагент участвует во многих химических реакциях: полимеризации, гидролиза, в процессе фотосинтеза.
Вода как термостабилизатор и терморегулятор. Эта функция обусловлена такими свойствами воды, как высокая теплоемкость – смягчает влияние на организм значительных перепадов температуры в окружающей среде; высокая теплопроводность – позволяет организму поддерживать одинаковую температур во всем его объеме; высокая теплота испарения – используется для охлаждения организма при потоотделении у млекопитающих и транспирации у растений.
Транспортная функция воды осуществляется при передвижении по организму вместе с водой растворенных в ней веществ к различным его частям и выведение ненужных продуктов из организма.
Структурная функция состоит в том, что цитоплазма клеток содержит от 60 до 95 % воды, и именно она придает клеткам их нормальную форму.
По отношению к воде среди живых организмов выделяют следующие экологические группы: гигрофилы (влаголюбивые), ксерофилы (сухолюбивые) и мезофилы (промежуточная группа).
Среди растений различают:
Гигрофиты – растения влажных местообитаний, не переносящие водного дефицита. К ним, в частности, относятся водные растения – гидрофиты и гидатофиты. Гидатофиты – водные растения, целиком или большей своей частью погруженные в воду (например, рдест, кувшинка). Гидрофиты – водные растения, прикрепленные к грунту и погруженные в воду только нижними частями (например, тростник).
Ксерофиты – растения сухих местообитаний, способные переносить перегрев и обезвоживание. К ним относятся суккуленты и склерофиты. Суккуленты – ксерофитные растения с сочными, мясистыми листьями (например, алоэ) или стеблями (например, кактусовые), в которых развита водозапасающая ткань. Склерофиты – ксерофитные растения с жесткими побегами, благодаря чему при водном дефиците у них не наблюдается внешней картины завядания (например, ковыли, саксаул).
Мезофиты – растения умеренно увлажненных местообитаний; промежуточная группа между гигрофитами и ксерофитами.
Эдафические (почвенно-грунтовые) экологические факторы. Важнейшими экологическими факторами, характеризующими почву как среду обитания, являются кислотность, содержание питательных элементов, содержание органических веществ, структура, плотность, засоленность, гранулометрический состав и др.
По отношению к кислотности почвы растения делят на следующие экологические группы: ацидофилы (растут на почвах с PH < 6,7); нейтрофилы (pH = 6,7…7,0); базифилы (pH > 7,0); индифферентные виды (могут обитать на почвах с разным значением pH).
Среди растений выделяют такие группы как галофиты (растений засоленных почв), нейтрофилы (растения, предпочитающие почвы, богатые азотом), литофиты, или петрофиты (растения каменистых почв), псаммофиты (растения песков).
По степени связи с почвой как средой обитания животных объединяют в три экологические группы.
Геобионты – животные, постоянно обитающие в почве, весь цикл развития которых протекает в почвенной среде.
Геофилы – животные, часть цикла развития которых (чаще одна из фаз) обязательно проходит в почве.
Геоксены – животные, иногда посещающие почву для временного укрытия или убежища.
Экологические факторы обычно действуют не поодиночке, а целым комплексом. Действие одного какого-либо фактора зависит от уровня других. Сочетание с разными факторами оказывает заметное влияние на проявление оптимума в свойствах организма и на пределах их существования. Действие одного фактора не заменяется действием другого. Однако при комплексном воздействии среды часто имеет место «эффект замещения», который проявляется в сходстве результатов воздействия разных факторов. Так, свет не может быть заменен избытком тепла или обилием углекислого газа, но, действуя изменениями температуры, можно приостановить фотосинтез у растений или активность у животных и тем самым создать эффект диапаузы, как при коротком дне, а удлинив активный период, создать эффект длинного дня. И в то же время это не замещение одного фактора другим, а проявление количественных показателей экологических факторов. Это явление широко используется в практике растениеводства.
В комплексном действии среды факторы по своему воздействию неравноценны для организмов. Их можно подразделить на ведущие (главные) и фоновые (сопутствующие, второстепенные). Ведущие факторы различны для разных организмов, если даже они живут в одном месте. В роли ведущего фактора на разных этапах жизни организма могут выступать то одни, то другие элементы среды. Например, в жизни многих культурных растений, таких, как злаки, в период прорастания ведущим фактором является температура, в период колошения и цветения – почвенная влага, в период созревания – количество питательных веществ и влажность воздуха. Роль ведущего фактора в разное время года может меняться. Так, в пробуждении активности у птиц (синицы, воробьи) в конце зимы ведущим фактором является свет и, в частности, длина светового дня, летом же его действие становится равнозначным температурному фактору.
Ведущий фактор может быть неодинаков у одних и тех же видов, живущих в разных физико-географических условиях. Например, активность комаров, мошек, мокрецов в теплых районах определяется комплексом светового режима, тогда как на севере – изменениями температуры.
Итак, организмы в природе зависят от:
1) интенсивности факторов внешней cреды;
2) диапазона толерантности самих организмов по отношению к этим факторам.
Взаимоотношения между организмами и средой могут быть очень сложными, но, к счастью, не все возможные факторы внешней среды одинаково важны в каждой данной ситуации или для данного организма. Если для организма характерен широкий диапазон толерантности по фактору, который отличается относительным постоянством и присутствует в среде, в достаточных количествах, вряд ли такой фактор может оказаться лимитирующим. И, наоборот, если известно, что тот или иной организм обладает узким диапазоном толерантности к какому-то изменчивому фактору, то именно этот фактор заслуживает изучения как лимитирующий. Цель экологического анализа среды состоит не в том, чтобы составить длинный некритический перечень возможных факторов, а в том, чтобы средствами наблюдения, анализа и эксперимента выявить функционально важные факторы и выяснить, как эти факторы влияют на особей, популяции и биоценозы. Знание лимитирующих факторов дает ключ к управлению экосистемами.
Экологическая емкость – это показатель способности природной системы к регенерации изъятых из нее ресурсов и к нейтрализации вредных антропогенных воздействий. Полная экологическая емкость природного комплекса определяется, во-первых, объемами основных природных резервуаров – воздушного бассейна, водоемов и водотоков, земельных площадей и запасов почв, биомассы флоры и фауны; во-вторых, мощностью потоков биогеохимического круговорота, обновляющих содержимое этих резервуаров: скоростью местного атмосферного газообмена, пополнения объемов чистой воды, процессов почвообразования и продуктивностью биоты.
Природная среда имеет ограниченную способность вмещать, ассимилировать и превращать загрязнители. Если суммарный объем загрязнителей больше чем этой способности, в природной среде имеет место количественно-качественных изменений, может быть и место процесса деградации. Если загрязнение продолжает увеличиваться, то восстановительные ухудшения состояния окружающей среды становятся не восстановительными и в итоге может вызвать радикальный кризис на окружающую среду. Эта возможность выражается понятиями «ассимиляционный потенциал среды» и «ассимиляционная ёмкость окружающей среды». Это особый ресурсов для обеспечения эко-безопасности и индикатор степени эко-безопасности в развитии в целом. Таким образом, необходимость определения этого ресурса, и исходя из него, разрабатываются инструменты управления, экономические инструменты для его рационального, эффективного использования в социально-экономическом развитии, является актуальной.
Контрольные вопросы
1. Раскройте понятие «экологические факторы».
2. Каковы температурные границы существования видов?
3. Как формулируется закон минимума? Какие существуют к нему уточнения?
4. Сформулируйте закон толерантности. Кто установил эту закономерность?
5. Назовите экологические группы растений и животных по отношению к свету и их адаптивные особенности.
6. Назовите адаптивные свойства растений и животных к поддержанию водного баланса.
7. Что такое среда обитания и какие из них заселены организмами?
Задания для практических занятий
1. Установите соответствие между каждым видом животного и отношением к температурному фактору:
|
Представители |
Классификация животных |
|
1) голубь |
А – пойкилотермные (холоднокровные) |
|
2) акула |
Б – гомойотермные (теплокровные) |
|
3) собака |
|
|
4) лягушка |
|
|
5) кит |
|
|
6) ящерица прыткая |
2. Определите все возможные отношения к освещенности у растений, у животных:
|
Классификация организмов |
Организмы |
|
А – растения |
1) светолюбивые |
|
Б – животные |
2) ночные |
|
3) сумеречные |
|
|
4) дневные |
|
|
5) тенелюбивые |
3. Определите, какие процессы (1)–(6) протекают у растений (А) и животных (Б) при участии света:
|
Процессы |
Организмы |
|
1) транспирация |
А – растения |
|
2) синтез витамина Д |
Б – животные |
|
3) зрение |
|
|
4) выработка пигмента меланина |
|
|
5) фотопериодизм |
|
|
6) фотосинтез |
4. Как чрезмерный полив и избыток удобрений, так и недостаток воды и питательных веществ ограничивает жизнедеятельность растений. Фактор, крайние значения которого оказывают самое сильное воздействие на жизнеспособность организма, называется лимитирующим (ограничивающим).
Почему действие любого фактора может привести к неблагоприятным для организма последствиям?
Что обеспечивает процветание вида в экосистеме?
Зависит ли действие лимитирующего фактора от совокупности других факторов? Да или нет? Почему?
Установлено, что выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Это положение экологии иллюстрирует пример бочки с отверстием: уровень воды в ней обозначает выносливость организма, а отверстие внизу определяет лимитирующий фактор.
Назовите оптимальные для растений границы температуры
В каких пределах температуры (зона оптимума) находится диапазон устойчивости?
Когда наступает стрессовое состояние растений?
При какой температуре происходит гибель растений?
Назовите лимитирующий фактор для экосистем пустыни, поверхностного слоя моря, тундры, нижнего яруса тропического леса, дня моря.
Почему болота считаются ценными для Земли экосистемами? Как на них влияет человек? На каком лимитирующем факторе сказывается его деятельность?
Как влияет лимитирующий фактор на численный состав особей, занимающих определенную площадь? Когда популяция будет самой крупной?
Что является показателем оптимальности факторов среды?
В роли лимитирующих факторов могут выступать как биотические факторы, так и абиотические, взаимодействующие с биотическими:
– повышение влажности ускоряет рост деревьев, которые, затеняя травы, приводят к их гибели;
– распространение растений зависит от насекомых, грибов-паразитов, которые питаются растениями;
– вторжение новых видов (интродукция) ожесточает конкуренцию за пищу с основными видами (аборигенами);
– массовое размножение вредителей растений приводит к их вымиранию.
Проанализируйте взаимосвязи биотических и абиотических факторов на примере засухи, которая может привести к гибели насекомоядных птиц, вслед за чем последует рост численности растительноядных насекомых и массовое поражение растений. Как это отразится на других консументах?
Объясните, как фактор, влияющий на один вид, воздействует через цепи питания на другие виды.
Принцип лимитирующего фактора естественных экосистем применим и к экосистемам, в которые включен человек. Как человек преодолевает действие лимитирующего фактора экосистемы, в которую он включен? Каковы отрицательные последствия влияния человека на экосистемы?
Тестовые вопросы для самоконтроля
1. Изучением экологических проблем Земли как планеты занимается:
А) инженерная экология;
В) геоэкология;
С) глобальная экология;
D) промышленная экология;
Е) социальная экология.
2. Раздел экологии, исследующий биологические системы на популяционном уровне организации, называется:
А) физиология;
B) демэкология;
C) синэкология;
D) глобальная экология;
E) аутэкология.
3. Толерантность – это способность организмов:
А) выдерживать изменение условий окружающей среды в определённых пределах;
B) приспосабливаться к новым условиям жизни;
C) образовывать локальные формы;
D) определять время суток;
E) оказывать влияние на среду обитания.
4. Какой процесс происходит в листьях растений под действием солнечного света?
A) расщепление органических веществ.
B) дыхание.
C) фотосинтез.
D) синтез белка.
E) мутация.
5. К биотическим факторам относится:
А) влажность;
B) радиация;
C) температура;
D) живые организмы;
E) давление.
6. Отдельные свойства или элемент среды, оказывающие на организмы прямое или косвенное воздействие:
А) экологический фактор;
B) адаптация;
C) среда обитания;
D) экологическая ниша;
E) лес.
7. K какому фактору среды относится электромагнитное поле?
A) биотическому фактору.
B) абиотическому фактору.
C) императивному фактору.
D) внутреннему фактору.
E) межвидовому фактору.
8. Светолюбивые растения:
A) гелиофиты;
B) ксерофиты;
C) сциофиты;
D) мезофиты;
E) гидрофит.
9. Организмы, способные жить в узком диапазоне температур:
A) эвритермные;
B) стенотермные;
C) пойкилотермные;
D) гомойтермные;
E) гетеротермные.
10. Укажите организмы, которые не выносят резкого изменения температуры:
А) термофильные;
B) эвритермные;
С) стенотермные;
D) термофобные;
Е) гипотермные.
11. К абиотическим факторам относятся:
А) биоценозы;
B) симбиоз;
C) хищничество;
D) скорость и направление ветра;
E) конкуренция.
12. Какой из перечисленных ниже экологических факторов не относится к абиотическим?
А) опыление растений насекомыми.
B) рельеф местности.
C) механический и химический состав почвы.
D) содержание кислорода в воде.
E) погодные условия.
13. Взаимоотношения «хозяин-паразит» в сообществе живых организмов изучает:
А) глобальная экология;
B) синэкология;
С) аутэкология;
D) демэкология;
Е) геоэкология.
14. Свободно парящие в толще воды организмы называются:
А) гидробионтами;
B) планктоном;
C) гигрофитами;
D) мезофитами;
E) ксерофитами.
15. Что такое бентос?
A) организмы, обитающие в верхнем слое воздуха.
B) организмы, пассивно плавающие в верхнем слое воды.
C) организмы, активно плавающие в толще воды.
D) организмы, существующие в верхнем слое воды.
E) сообщество организмов способных существовать на дне.
16. Какие организмы относятся к бентосу?
A) водные млекопитающие.
B) медузы.
C) акулы.
D) морж.
E) ракообразные.
17. Отдельные свойства или элемент среды, оказывающие на организмы прямое или косвенное воздействие:
А) среда обитания;
В) адаптация;
С) экологический фактор;
D) экологическая ниша;
Е) лес.
18. Светолюбивые растения:
А) гелиофиты;
В) сциофиты;
С) галофиты;
D) ксерофиты;
Е) псаммофиты.
19. Животные, питающиеся растениями:
А) сапрофаги;
В) фитофаги;
С) детритофаги;
D) хищники;
Е) зоофаги.
20. Укажите закон о зависимости продуктивности растения от вещества, находящегося в недостатке:
А) закон Либиха;
В) закон Вильяма;
С) закон оптимума;
D) закон Шелфорда;.
Е) закон о толерантности
Темы для контрольных работ и докладов на СРС
1. Закономерности воздействия факторов среды на организмы.
2. Реакции организмов на изменения уровня экологических факторов.
3. Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды.
4. Воздействие экологических факторов.
5. Биотические факторы среды.
6. Экология человека как отрасль аутэкологии.
7. Живые организмы – обитатели экстремальных условий жизни.
8. Почва как среда обитания.
9. Лимитирующие возможности йода для человека.
10. Микроэлементы, влияющие на интеллект человека.