Взаимодействие экологических факторов
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, изменяя температуру, можно приостановить фотосинтез растений или активность у животных и тем самым создать эффект диапаузы при коротком дне, а удлинив активный период создать эффект длинного дня. И в то же время это не замещение одного фактора другим, апроявление изменения количественных показателей экологических факторов. Это явление широко используется в практике растениеводства и зоотехнии.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
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.
Понятие о ведущих факторах нельзя смешивать с понятием об ограничивающих факторах.
Фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма, называется ограничивающим или лимитирующим. Ограничивающее действие фактора будет проявляться и в том случае, когда другие факторы среды благоприятны или даже оптимальны. В роли ограничивающего фактора могут выступать как ведущие, так и фоновые экологические факторы.
Понятие о лимитирующих факторах было введено в 1840 году химиком Ю.Либихом. Изучая влияние на рост растений содержания различных химических элементов в почве он сформулировал принцип: «веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последнего во времени». Ю.Либих экспериментально доказал, что недостаток минерального питания (N,P,K) ведет к угнетению развития растений.
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, на что указывал Либих, но и избыток таких факторов, как, например, тепло, свет и вода. Как уже было отмечено ранее, организмы характеризуются экологическим минимумом и экологическим максимумом. Диапазоны между этими двумя величинами принято называть пределами устойчивости, выносливости или толерантности. Представление о лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом ввел В. Шелфорд (1913), сформулировавший «закон толерантности». После 1913 г. по изучению толерантности были проведены многочисленные исследования, благодаря которым стали известны пределы существования для многих растений и животных.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
Абиотические факторы
Абиотические факторы – компоненты неживой природы. К ним относят: климатические (свет, температура, вода, ветер, атмосфера и др.), действующие на все среды обитания живых организмов: водную, воздушную, почвенную, тело другого организма. Их действие всегда бывает совокупным.
Свет – один из важнейших биотических факторов, это источник жизни для всего живого на земле. В жизни организмов важны не только видимые лучи, но и другие, достигающие земной поверхности: ультрафиолетовые, инфракрасные, электромагнитные. Важнейший процесс, протекающий у растений на Земле с участием солнечной энергии: фотосинтез. В среднем 1-5% падающего на растение света используется для фотосинтеза и в виде накопленной энергии передается дальше по пищевой цепочке.
Фотопериодизм – приспособление растений и животных к определенной длине дня.
У растений: различают светолюбивые и теневыносливые виды. Одни виды растут на освещенной местности (злаки, береза, подсолнечник), другие при недостатке света (лесные травы, папоротники), теневыносливые виды могут расти в различных условиях, но при этом меняют свой внешний вид. Сосна, одиноко выросшая, имеет густую широкую крону, в древостое – крона формируется в верхней части, а ствол голый. Существуют растения короткого и длинного дня.
Среди животных свет является средством ориентации в пространстве. Одни приспособлены жить при солнечном свете, другие ведут ночной или сумеречный образ жизни. Есть животные, такие, как кроты, которым солнечный свет не требуется.
ТемператураДиапазон температур при которых возможна жизнь очень небольшой. Для большинства организмов он определяется от 0 до +50С.
Температурный фактор имеет ярко выраженные сезонные и суточные колебания. Температура определяет скорость биохимических процессов в клетке. Она определяет внешний вид организма и широту географического распространения. Организмы, способные выдерживать широкий диапазон температур называют эвритермными. Стенотермные организмы живут при узком диапазоне температур.
Одни организмы лучше приспособились переносить неблагоприятную (высокую или низкую) температуру воздуха, другие температуру почвы. Имеется большая группа теплокровных организмов, которые способны
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
поддерживать температуру тела на стабильном уровне. Способность организмов приостанавливать свою жизнедеятельность при неблагоприятных температурах называют анабиозом.
ВодаЖивых организмов, не содержащих воду в своих тканях на земле не существует. Содержание воды в организме может достигать 60-98%. Количество воды, необходимое для нормального развития меняется в зависимости от возраста. Особенно чувствительны организмы к дефициту воды в период размножения.
По отношению к водному режиму растения делятся на 3 больших групп:
Гигрофиты – растения влажных мест. Они не переносят дефицита воды.
Мезофиты– растения умеренно увлажненных местообитаний. Они способны переносить почвенную и воздушную засуху короткий период. Это большинство сельскохозяйственных культур, луговых трав.
Ксерофиты – растения сухих местообитаний. Они приспособлены длительное время переносить недостаток воды за счет специальных приспособлений. Листья превращаются в колючки или как, например, у суккулентов – клетки разрастаются до громадных размеров, запасая в себе воду. Для животных также существует аналогичная классификация. Только меняется окончание фиты на филы: гигрофилы, мезофиллы, ксерофилы.
АтмосфераПокрывающий землю слоистая атмосфера и озоновый слой, находящийся на высоте 10-15 км, защищают от мощного ультрафиолетового излучения и космической радиации все живое. Газовый состав современной атмосферы – 78% азота, 21% кислорода, 0,3-3% водяные пары, 1% приходится на другие химические элементы.
Почвенные или эдафические факторы. Почва – это биокосное природное тело, сформировавшиеся под воздействием живой и неживой природы. Она обладает плодородием. Из почв растения потребляют азот, фосфор, калий, кальций, магний, бор и др. микроэлементы. От наличия питательных веществ в почве зависит рост, развитие и биологическая продуктивность растений. Как недостаток, так и избыток питательных веществ может стать лимитирующим фактором. Некоторые виды растений приспособились к избытку какого-либо элемента, например к кальцию и получили название кальциефиллов.
Почва характеризуется определенной структурой, которая зависит от гумуса - продукта жизнедеятельности микроорганизмов, грибов. Почва в своем составе имеет воздух и воду, которые взаимодействуют с другими элементами биосферы.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
При ветровой, водной или иной эрозии происходит разрушение почвенного покрова, что ведет к потери почвенного плодородия.
Орографические факторы – рельеф местности.Рельеф местности не является прямодействующим фактором, но имеет большое экологическое значение как косвенного фактора, перераспределяющего климатические и другие абиотические факторы. Самым ярким примером влияния рельефа является вертикальная зональность, свойственная горным районам.
Различают:
· нанорельеф – это кучки около нор животных, кочки на болотах и т.д.;
· микрорельеф – небольшие воронки, барханчики;
· мезорельеф – овраги, балки, долины рек, возвышенности, понижения;
· макрорельеф – плоскогорья, равнины, горные хребты, т.е. значительные географические рубежи, оказывающие существенное влияние на перемещение воздушных масс.
Биотические факторы.На живые организмы оказывают влияние не только абиотические факторы, но и сами живые организмы. В группу данных факторов входят: фитогенные, зоогенные и антропогенные.
Влияние биотических факторов на окружающую среду очень многообразно. В одном случае при влиянии разных видов друг на друга они не оказывают никакого действия (0), в другом случае воздействия благоприятные (+) или неблагоприятные (-).
Типы взаимоотношений видов
1. Нейтрализм (0,0) – виды не оказывают влияния друг на друга;
2. Конкуренция (-,-) – каждый вид оказывает неблагоприятное воздействие, подавляя другой и вытесняя более слабый;
3. Мутуализм (+,+) – один из видов может нормально развиваться только в присутствии другого вида (симбиоз растений и грибов);
4. Протокооперация (+,+) – сотрудничество, взаимовыгодное влияние, не такое жесткое как при мутуализме;
5. Комменсализм (+, 0) один вид извлекает пользу от совместного существования;
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
6. Аменсализм (0,-) – один вид испытывает угнетение, другой вид не угнетается;
7. Паразитизм и хищничество (-,+) – жертва угнетается, может погибнуть, хищник или паразит извлекает пользу.
Антропогенное влияние вписывается в данную классификацию видовых взаимоотношений. Среди биотических факторов это самый мощный. Он может быть прямого действия или косвенного, положительной или отрицательной направленности. Антропогенное влияние на абиотическую и биотическую среду в пособии рассматривается далее с точки зрения охраны природы.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
1.3. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И
ВЗАИМОСВЯЗАННОСТИ ПРОЦЕССОВ В НЕЙ
Понятие о биосфере, экосистеме, биогеоценозе и агроценозе
Возникновение жизни на Земле стало возможным в ходе длительной химической эволюции. Формирование биосферы сопровождалось рядом крупных экологических катастроф, вызванных дисбалансом тепла и влаги. Роль тепла и влаги в становлении биосферы чрезвычайно велика: жизнь существует там, где есть вода в жидком состоянии и, куда проникает солнечная радиация.
Биосфера – слово греческое и означает в переводе на наш язык : БИО - жизнь, СФЕРА – шар, т.е. биосфера – это есть сфера жизни. Впервые термин биосфера был введен в науку геологом из Австрии Э. Зюссом в 1875 г. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности или тот слой около земного пространства, где обитают живые существа, взаимодействующие с воздухом, водой и земной корой.
Биосфера – часть оболочки Земли или это многокомпонентная, сложная, саморегулирующаяся система, структура и энергетика которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов.
Подобно тому, как любой организм состоит из многочисленных функциональных единиц – клеток, так и биосфера слагается из функциональных единиц, клеток биосферы – экологических систем.
Экосистема – это сочетание живых организмов и окружающей среды в качестве взаимодействующей системы, которая является следствием взаимодействия растений с растением, животного с животным, растений и животных друг с другом и всех живых организмов с окружающей средой и физической среды с ними.
Экологические системы могут быть весьма многочисленными и разнообразными. Даже на сравнительно небольшой территории могут существовать экосистема леса и экосистема луга, экосистема озера и экосистема болота, переходные экосистемы почвы и грунтовых вод. И у каждой из этих систем свой набор растений, животных, микроорганизмов.
Однако существуют и очень крупные экологические системы, объединяющие большое число отдельных экосистем. Их называют биомы.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
Биомами являются: леса, степи, тундра, пустыни, тропические дождевые леса. Существует также экосистема человека, которая наряду с человеком включает культурные растения и домашних животных.
Экосистемы являются совокупностью сообществ определенного видового состава, объединенных единым местом обитания. Переходы между крупными экосистемами (биомами) постепенны (например, между лесом и степью имеется переходная зона лесостепь).
Важнейшим свойством экосистемы является саморегуляция, которая обеспечивается высокой адаптацией отдельных организмов, популяций и биоценозов, наличием замкнутого круговорота веществ в пределах каждой экосистемы. Если подобный круговорот остается ненарушенным, несмотря на внешние воздействия, экосистема остается стабильной длительное время.
Для каждой экосистемы существует свой пороговый уровень внешних воздействий, при котором экосистема переходит в качественно новый уровень или гибнет. Снятие воздействия не приводит к восстановлению исходного состояния экосистемы. Она может самостоятельно восстановится эволюционным путем, либо заменится другой экосистемой. Например, погибший хвойный лес вначале замещается лиственным лесом, а затем в ходе длительной эволюции доминантными вновь становится хвойные породы. Такое свойство экосистем называется необратимостью.
Биогеоценоз (термин предложен академиком В.Н. Сукачевым в 1940г.) био – жизнь, гео –земля, ценоз – общий. Под биогеоценозом следует понимать сообщество растений (фитоценоз) и животных (зооценоз), которые обитают на соответствующем участке земной поверхности, имеющем свой микроклимат, структуру, почву и водный режим. Проще говоря – это единое сообщество растений, животных и окружающей среды, которые находятся в тесной взаимосвязи друг с другом. Биогеоценозы разнообразны и формировались они в зависимости от климата и истории участка земли. Поэтому они в различной степени насыщены жизнью. Чем разнообразнее и сложнее биогеоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним и внутренним воздействиям. Процесс формирования связей в биогеоценозах происходил последовательно и поэтапно. В результате сложились определенные закономерности изменения биогеоценозов во времени – сукцессии. Например, восстановление лесов после пожара происходит поэтапно: вначале территории занимают светолюбивые породы, а затем последовательно породы сменяются на более теневыносливые. При этом лес принимает все большую биологическую устойчивость.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
Устойчивость биогеоценозов определяется тем, что виды организмов, образующие их в процессе развития приспособились друг к другу настолько, что они как бы заботятся о целостности, устойчивости, оптимальной структуре своего биогеоценоза. Например, на пастбищах максимальная продуктивность травостоя бывает не в заповедных условиях, а когда ее потребление, т.е. выпас, соответствует определенной норме.
Устойчивость биогеоценозов определяется так же тем, что составляющие биогеоценоз организмы – не простой конгломерат особей различных видов, а совокупность популяций видов, т.е. качественно определенных группировок особей, способных при изменяющихся условиях среды поддерживать свою численность в оптимальных размерах.
Агроценоз (агрозооценоз) – созданное человеком сообщество растений или животных с целью получения сельскохозяйственной продукции. Как правило, агроценоз состоит из небольшого числа растений и животных видов. Во всем мире агроценозы составляют огромные посевные площади и многочисленные стада домашних животных.
Состав и границы биосферы
Биосфера сейчас рассматривается как глобальная экологическая система. Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло – одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли.
По новейшим данным, масса Земли составляет 6*1021 т, объем – 1,083*1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн км2. Размеры, а, следовательно, и её природные ресурсы нашей планеты ограничены.
Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним - относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера, тропосфера и гидросфера – как субглобальные экосистемы и отсюда:
· литосфера (греч. «Литос» - камень) – верхняя часть твердой оболочки или кора выветривания;
· тропосфера – нижняя часть атмосферы;
· гидросфера – водная оболочка.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
Распространенность биосферы определяется по наличию живых организмов, а также по продуктам их жизнедеятельности.
Важнейшие компоненты биосферы:
· живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);
· биогенное вещество - органические и органоминеральные вещества, созданные на протяжении геологической истории (нефть, торф, уголь);
· косное (неживое) вещество - атмосфера, горные породы неорганического происхождения;
· биокосное вещество – продукт совместной деятельности живой и неживой природы (почва, и др.).
За верхнюю границу биосферы в зависимости от географической широты ориентировочно принимают высоту 10-15 км, однако в последнее время учеными обнаружена жизнь бактерий и на высоте до 80-85 км.
Нижней границей биосферы являются самые глубокие океанические впадины (более 11 км ниже уровня моря). То есть, протяженность биосферы по вертикали достигает 25-30 км. Однако, человека в практической жизни интересует пока только верхний слой океана не более 100 м и поверхность земли до границ возможного обитания человека (5 км).
Учение В.И. Вернадского о биосфере
Заслуга в разработке стройного, целостного учения о биосфере как «области жизни» принадлежит академику В. И. Вернадскому. Он назвал биосферой оболочку Земли, в формировании которой живые организмы играли и играют основную роль, и выделил в ней три главных компонента:
· живые организмы (вся их совокупность, так называемое живое вещество);
· минеральные вещества, включенные живым веществом в биогенный круговорот;
· продукты деятельности живого вещества, временно не участвующие в биогенном круговороте.
Вернадский понимал под биосферой все части, земной коры, которые подвергались в течение геологической истории влиянию организмов. Многие же исследователи, особенно за рубежом, вкладывали в это понятие несколько
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
иной смысл, сужая представление о биосфере и рассматривая ее лишь как ту часть поверхности Земли, которая находится под влиянием деятельности живых организмов в настоящее время. Однако это неверная точка зрения, поскольку состав, структура и энергетика современной биосферы в существенных чертах обусловлены не только настоящей, но и прошлой деятельностью живых организмов.
В основу учения Вернадского о биосфере положено представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы, как продукта длительного превращения веществ и энергии в ходе геологического развития Земли. В пределах биосферы везде встречается либо само живое вещество, либо следы его деятельности: газы атмосферы; природная вода; запасы нефти, угля, известняка; глины; сланцы; граниты и др.
Современная биосфера представляет собой сложную систему, состоящую из многих компонентов, которые включают всю живую и неживую природу. Она охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.
По Вернадскому, живое вещество —этосовокупность существующих (или существовавших в определенный отрезок времени) живых организмов, являющихся мощным геологическим фактором.
Вернадский указывал, что живое вещество аккумулирует энергию космоса, трансформирует ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.) и в непрерывном обмене веществ с косной материей планеты обеспечивает образование нового живого вещества, которое не только замещает отмирающие его массы, но и привносит новые качества, определяя процесс эволюции органического мира.
Таким образом, живое вещество биосферы химически и геологически является чрезвычайно активным. При его участии образуются органические осадочные породы - биогенные вещества биосферы, а также биокосные вещества - почти вся вода биосферы, почва, кора выветривания и т. д. Вместе с тем живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере.
Различаютшесть основных функций живого веществана нашей планете.
Энергетическая функция заключается в осуществлении связи биосферно-планетарных явлений с космическими факторами, преимущественно с солнечной радиацией. В основе: этой функции лежит фотосинтезирующая деятельность зеленых растений, в процессе которой происходит аккумуляция
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
солнечной энергии и её перераспределение между отдельными компонентами биосферы. За счет накопленной солнечной энергии протекают все жизненные процессы на Земле.
Газовая функция обусловливает миграцию газов и их превращение, обеспечивает газовый состав биосферы. Преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение. В процессе функционирования живого вещества появляются основные газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и др.
Концентрационная функция проявляется в извлечении и накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды. Состав живого вещества существенно отличается от состава косного вещества планеты. В нем преобладают легкие атомы водорода, углерода, азота, кислорода, натрия, магния, алюминия, кремния, серы, хлора, калия, кальция. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чемво внешней среде. Этим объясняется неоднородность химического состава биосферы.
Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении в основном веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления (соединения железа, марганца и др.). В результате происходит превращение большинства химических соединений. При этом на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления.
Деструкционная функция обусловливает процессы, связанные с разложением организмов после их смерти, вследствие которой происходит минерализация органического вещества, т. е. превращение живого вещества в косное. В результате образуются также биогенное и биокосное вещества биосферы.
Информационная функция заключается в накоплении, сохранении и передаче молекулярно генетической информации, накопленной в ходе эволюции и обеспечивающей их дальнейшее существование.
Возникновение и развитие биосферы
Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструкция). Это произошло вследствие того, что из общего геологического круговорота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образовавшись на Земле, вовлекло в грандиозный круговорот все ее элементы. Так начался процесс формирования биосферы, продолжающийся до настоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных организмов. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм.
ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ
Биосфера с момента возникновения претерпевает постоянные изменения, проявляющиеся в увеличении разнообразия видов, в усложнении их организации, росте биомассы. В процессе жизнедеятельности организмов коренным образом преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился свободный кислород,а в ееверхних слоях - озоновый экран. углекислота, извлеченная организмами из воды и воздуха, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция, некоторые вещества надолго выключились из круговорота веществ (залежи полезных ископаемых). Вместе с этим происходило выветривание горных пород, в котором живые организмы также принимали активное участие. Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствовали постоянной миграции химических элементов.
Таким образом, суммарная жизнедеятельность развивающихся организмов определяет особенности биосферы, которая в свою очередь обусловливает возможность выживания и направление эволюционных преобразований отдельных видов.
Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле следует рассматривать с точки зрения формирования основных сред жизни. Отсюда можно выделить пять исторических этапов эволюции биосферы:
I - возникновение и развитие жизни в воде;
II - появление у гидробионтов симбионтов (паразиты, мутуалисты и др.),
т. е. формирование новой среды жизни - организмов-хозяев;
III - заселение организмами суши и формирование новых сред жизни: наземно-воздушной и почвой;
IV - появление человека и превращение его из обычного биологического вида в биосоциальное существо;
V - переход биосферы под влиянием разумной деятельности человека в новое качественное состояние - в ноосферу.