Различные подходы к классификации экологических факторов
| ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ | |
| АБИОТИЧЕСКИЕ | БИОТИЧЕСКИЕ |
| Свет, температура, влага, ветер, воздух, давление, течения, долгота дня и т.д. Механический состав почвы, ее проницаемость, влагоемкость Содержание в почве или воде элементов питания, газовый состав, соленость воды | Влияние растений на других членов биоценоза Влияние животных на других членов биоценоза Антропогенные факторы, - все формы деятельности человеческого общества |
| ПО ВРЕМЕНИ | ПО ПЕРИОДИЧНОСТИ | ПО ОЧЕРЕДНОСТИ |
| эволюционный исторический | периодический непериодический | первичный вторичный |
| ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ | ПО СРЕДЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ |
| космический абиотический (абиогенный) биогенный биотический природно-антропогенный антропогенный (в т.ч. техногенный загрязнение среды, в т.ч. беспокойство | атмосферный водный (влажный) геоморфологический здафический физиологический генетический популяционный биоценотический экосистемный биосферный |
Совокупность факторов одного рода составляет верхний уровень понятий. Нижний уровень понятий связан с познанием отдельных экологических факторов (табл.).
Таблица2
Уровни понятия «экологический фактор»
| Верхний уровень понятия Нижний уровень понятия | Совокупность абиотических факторов природы Отдельный абиотический фактор | Совокупность биотических факторов природы Отдельный биотический факторов |
Влияние факторов среды определяется их воздействием на обмен веществ организмов. Все экологические факторы по их действию можно подразделить на прямодействующие и косвеннодействующие.
Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект – пессимумом. Например, при выращивании растений при различных температурах точка, при которой наблюдается максимальный рост, будет оптимумом. В большинстве случаев это некий диапазон температур, составляющий несколько градусов, поэтому целесообразнее говорить о зоне оптимума. Весь интервал температур, от минимальной до максимальной, при которых еще возможен рост, называют диапазоном устойчивости (выносливости) или толерантности. Точки, ограничивающие его, т.е. максимальная и минимальная температуры, пригодные для жизни, - это пределы устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости растение испытывает все нарастающий стресс, т.е. речь идет о стрессовых зонах, или зонах угнетения в рамках диапазона устойчивости. По мере удаления от оптимума в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибель.
Для каждого вида растений (животных) существует оптимум, стрессовые зоны и пределы устойчивости или выносливости в отношении каждого средового фактора.
При значении фактора, близком к пределам выносливости или толерантности, организм обычно может существовать лишь непродолжительное время. В более узком интервале условий возможно длительное существование и рост особей. Еще в более узком диапазоне происходит размножение, и вид может существовать неограниченно долго. Обычно примерно в средней части диапазона устойчивости имеются условия, наиболее благоприятные для жизнедеятельности, роста и размножения. Эти условия называют оптимальными, в которых особи данного вида оставляют наибольшее число потомков. На практике выявить такие условия сложно, и обычно определяют оптимум для отдельных показателей жизнедеятельности – скорости роста, выживаемости и т.п.
Свойство вида адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды обозначается понятием «экологическая пластичность» (экологическая валентность) вида. Чем шире диапазон колебаний экологического фактора, в пределах которого вид может существовать, тем больше его экологическая пластичность.
Виды, способные существовать лишь при небольших отклонениях от оптимальной величины фактора, называются узкоспециализированными, а выдерживающие значительные изменения фактора – широкоспециализированными. К узкоспециализированным видам относятся, например, организмы пресных вод, а также морских вод. Следовательно, пресноводные и морские виды обладают низкой экологической пластичностью по отношению к солености. Виды, которые способны жить как в пресных, так и в соленых водах (трехиглая колюшка), обладают высокой экологической пластичностью.
Экологически выносливые виды называют эврибионтными(eyros – широкий), маловыносливые – стенобионтными (stenos – узкий). Виды, длительное время развивающиеся в относительно стабильных условиях, утрачивают экологическую пластичность и вырабатывают черты стенобионтности, тогда как виды, существовавшие при значительных колебаниях факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и становятся эврибионтными.
Отношение организмов в колебаниям того или иного определенного фактора выражается прибавлением приставки эври- или стено- к названию фактора. Например, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы, к концентрации солей – эври- и стеногалинные, к свету – эври- и стенофотные и др. Растение, являясь эвритермным, одновременно может относиться к стеногигробионтам, т.е. быть менее стойким относительно влажности.
Эврибионтность способствует широкому распространению видов. Стенобионтность обычно ограничивает ареалы.
Все факторы среды взаимосвязаны, и среди них нет абсолютно безразличных для любого организма.
Совместное действие экологических факторов
Экологические факторы обычно действуют не поодиночке, а целым комплексом. Действие одного какого-либо фактора зависит от других. 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.
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 различных организмов. В роли ведущих факторов могут выступать то одни, то другие элементы среды на разных этапах развития организма. Так, в пробуждении активности у птиц в конце зимы ведущим фактором является свет, длина светового дня, летом же его действие становится равнозначным температурному фактору.
3. Законы экологии. Ведущий фактор может быть неодинаков у одних и тех же видов, живущих в разных физико-географических условиях.
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 г. 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». Этот принцип известен под названием правила или закона минимума Либиха. В качестве наглядной иллюстрации закона минимума Либиха часто изображают бочку, у которой образующие боковую поверхность доски имеют разную высоту. Длина самой короткой доски определяет уровень, до которого можно наполнить бочку водой. Следовательно, длина этой доски – лимитирующий фактор для количества воды, которую можно налить в бочку. Длина других досок уже не имеет значения.
Пример. Допустим, в почве содержатся все элементы минерального питания, необходимые для данного вида растений, кроме одного из них, например, цинка. Рост растений на такой почве будет сильно угнетен или вообще не возможен. Если мы теперь добавим в почву нужное количество цинка, это приведет к увеличению урожая. Но если мы будем вносить любое другое химическое соединение (например, азот, фосфор, калий) и даже добьемся того, что все они будут содержаться в оптимальных количествах, а цинк будет отсутствовать – это не даст никакого эффекта. Точно так же, если кислотность (рН) почвы отклоняется от оптимума, например, для озимой ржи, то никакие агротехнические мероприятия, кроме снижающего кислотность известкования, не помогут существенно увеличить урожайность этой культуры на данном поле. Закон минимума Либиха распространяется на все биотические и абиотические факторы, влияющие на организм. Такими факторами могут быть, например, конкуренций со стороны другого вида, присутствие хищника или паразита. Сформулированный закон применим как к растениям, так и к животным.
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, на что указывал Ю. Либих, но и избыток таких факторов, как тепло, свет и вода. Диапазоны между экологическим минимумом и экологическим максимумом, называются пределами устойчивости, выносливости или толерантности. Представление о лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом ввел В. Шелфорд, сформулировавший «закон толерантности». После открытия этого закона были проведены многочисленные исследования, благодаря которым стали известны пределы существования для многих растений и животных. Таким примером является влияние загрязняющего атмосферный воздух вещества на организм человека.
Величина фактора обозначается символом С (от слова «concentration», что в переводе означает «концентрация»). В других случаях при поступлении в организм вещества можно говорить не о концентрации, а о дозе вещества (фактора).
При значениях концентрации Слет и С¢ лет человек погибает, но необратимые изменения в его организме происходят при значительно меньших концентрациях: Слим и С¢ лим . Следовательно, истинный диапазон толерантности определяется именно этими показателями. Значит, их необходимо экспериментально определять для каждого загрязняющего или любого вредного химического соединения, и не допускать превышения его содержания в конкретной среде. В санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости к вредным веществам, а верхние пределы, т.к. загрязнение окружающей среды – это и есть превышение устойчивости организма. Ставится задача или условие: фактическая концентрация загрязняющего вещества Сфакт не должна превышать Слим. Сфакт < Слим. С¢ лим имеет смысл предельно допустимой концентрации СПДК или ПДК.
Если для организма характерен широкий диапазон выносливости к фактору, отличающемуся относительным постоянством, и присутствующем в среде в умеренных количествах, такой фактор не будет лимитирующим. Наоборот, если известно, что тот или иной организм обладает узким диапазоном толерантности к какому-либо изменчивому фактору, то именно этот фактор может быть лимитирующим. Например, содержание кислорода в атмосфере настолько высоко, и он столь доступен, что редко служит лимитирующим фактором для наземных организмов (за исключением паразитов, обитателей почв или больших высот). Напротив, в воде кислорода сравнительно мало, его содержание нередко варьирует, и вследствие этого он часто служит важным лимитирующим фактором. Поэтому эколог-гидробионт всегда наготове имеет прибор для определения количества кислорода. В целом смысл анализа условий среды, например, при оценке воздействия человека на природную среду, заключается в достижении следующих целей:
- путем наблюдения, анализа и эксперимента обнаружить «функционально важные» факторы;
- определить, как эти факторы влияют на особей, популяции, сообщества. Тогда удается довольно точно предсказать результат нарушений среды или планируемых изменений.
4.Абиотические факторы среды
Абиотический, или неживой компонент среды подразделяется на климатические, почвенные (эдафические), топографические и другие физические факторы, в т.ч. воздействие волн, морских течений и т.д.
Свет
Свет является одним из важнейших абиотических факторов, особенно для фотосинтезирующих растений. Свет для организмов служит, с одной стороны, первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь, а с другой стороны, прямое воздействие света на протоплазму губительно для организма. Следовательно, свет – это не только жизненно важный, но и лимитирующий фактор, как на минимальном, так и на максимальном уровне.
Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные и около 1% ультрафиолетовые лучи. Ультрафиолетовые лучи способствуют образованию витамина D в животных организмах, а также образованию защитного пигмента. Эти лучи в умеренных дозах стимулируют рост и размножение клеток, способствуют синтезу высоко активных биологических соединений, повышая в растениях содержание витаминов, антибиотиков.
Инфракрасные лучи воспринимаются всеми организмами, например, воз0действуя на тепловые центры нервной системы животных организмов.
С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных и пр.
Среди всех лучей солнечного света выделят лучи, влияющие на растительные организмы. Эти лучи называются физиологически активной радиацией (ФАР). Наиболее активными являются оранжево-красные (0,65-0,68 мкм), сине-фиолетовые (0,40-0,50 мкм) и близкие ультрафиолетовые (0,38-0,40 мкм). Инфракрасные лучи практически не поглощаются.
Лучи разной окраски различаются животными. Например, бабочки при посещении цветков предпочитают красные или желтые, двукрылые насекомые выбирают белые и голубые, пчелы – желто-зеленые, сине-фиолетовые и фиолетовые, не реагируют на красные, воспринимая их как темноту. Гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра. Для человека область видимых лучей: от фиолетовых до темно-красных.
Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, соотношением интенсивности (силы), количества и качества света.
Интенсивность, или сила света, измеряется количеством джоулей, приходящихся на 1 квадратный сантиметр горизонтальной поверхности в минуту. На южных склонах интенсивность света больше, чем на северных.
Количество света – суммарная радиация, увеличивается по мере продвижения от полюсов к экватору.
Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отражаемого света – альбедо. Оно зависит от угла падения лучей и свойств и свойств отражаемой поверхности. Например, свет отражает 85% солнечной энергии, альбедо зеленых листьев клена – 10 %, осенних пожелтевших – 28%.
По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые. Светолюбивые виды (гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью. Они образуют невысокий и разреженный растительный покров, чтобы не затенять друг друга.
Теневые растения живут под пологом леса. Это, главным образом, лесные травы.
Теневыносливые растения живут при хорошей освещенности, но легко переносят незначительное затенение. Это – большинство растений лесов.
Мелкие листья располагаются между крупными – «листовая мозаика».
Освещение вызывает у растений ростовые движения, которые проявляются в том, что из-за неравномерного роста стебля или корня происходит искривление. Это явление называется фототропизмом.
Растения, развитие которых происходит при длинном дне, называются длиннодневными (рожь, пшеница, клевер, фиалка). Растения, которые нормально развиваются при сокращенном световом дне, называются короткодневными (гречиха, просо, подсолнечник, астры).
Животным свойственна способность к ориентации. Например, птицам, пчелам. Ориентиром служит положение Солнца. Определенное сигнальное значение в жизни животных имеет биолюминесценция, или способность животных светиться (для привлечения особей противоположного пола, отпугивания хищников, приманивания добычи и т.д.) (рыбы, головоногие, жуки, светлячки и др.).
Температура
Тепловой режим – важнейшее условие существования живых организмов. Главным источником тепла является солнечное излучение.
Пределы, в которых может существовать жизнь, очень узки – 300°С: от –200°С до +100°С.
| Среда жизни | Максимум | Минимум | Амплитуда |
| Суша | -70 | ||
| Моря | 35,6 | -3,3 | 38,9 |
| Пресные воды |
Как правило, это - температура от 0°С до +50°С. Однако существуют организмы, обладающие способностью активного существования за пределами этого диапазона.
По отношению к температуре все организмы подразделяются на 2 группы: холодолюбивые и теплолюбивые.
Холодолюбивые (криофилы) способны жить в условиях относительно низких температур. При температуре – 8°С живут бактерии, грибы, моллюски, черви, членистоногие и др. Из растений: древесные в Якутии выдерживают температуру –70°С. В Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, отдельные виды водорослей, пингвины. В лабораторных условиях семена, споры некоторых растений, нематоды переносят температуру абсолютного нуля – 273,16°С. Приостановка всех жизненных процессов называется анабиозом.
Теплолюбивые организмы (термофилы) – обитатели жарких районов Земли. Это – беспозвоночные (насекомые, паукообразные, моллюски, черви), растения. Многие виды организмов способны переносить очень высокие температуры. Например, пресмыкающиеся, жуки, бабочки выдерживают температуру до +45-50°С. На Камчатке живут сине-зеленые водоросли при температуре +75-80°С, верблюжья колючка переносит температуру +70°С.
Диапазон температур ограничен верхней летальной и нижней летальной температурами.
Температура, наиболее благоприятная для жизнедеятельности и роста, называется оптимальной.
Температурный оптимум большинства живых организмов находится в пределах +20-25°С, у обитателей жарких районов Земли - +25-28°С.
Эвритермные организмы выдерживают широкие колебания температур, стенотермные – живут в узких пределах.
Беспозвоночные, рыбы, пресмыкающиеся, земноводные лишены способности поддерживать постоянную температуру тела в узких границах. Их называют пойкилотермными. Они зависят от тепла, поступающего извне. Иначе их называют хладнокровными.
Птицы и млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры. Это – гомойотермные, или теплокровные организмы. Они не зависят от внешних источников тепла. Благодаря высокой интенсивности обмена веществ у них вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохраняться.
У крупного рогатого скота повышение температуры в помещениях до 15°С или понижение до 7°С приводит к снижению плодовитости.
Некоторые организмы способны менять температуру своего тела в определенных пределах. Эта способность называется терморегуляцией. Поддерживать температуру тела на постоянном уровне животным помогает испарение жидкости с поверхности тела при высоких температурах окружающей среды. У человека – это потоотделение, у собак и птиц – учащенное дыхание.
У животных есть разнообразные поведенческие адаптации к температуре. Они проявляются в перелетах, миграциях, изменении сроков активности. В пустыне при температуре +60-70°С на раскаленном песке нет животных. Они зарываются в песок или прячутся в норы.
Холодным утром бабочки расправляют крылья и т.д.
Выбор жилища, утепление убежищ, гнезд, собирание в группы и т.д. – примеры поведенческих адаптаций животных.
Приспособления к воздействию неблагоприятных температур подразделяют на 3 вида: активный, пассивный пути и избегание неблагоприятных температурных воздействий.
Активный путь: усиление сопротивляемости организма. Пассивный – подчинение жизненных функций организма ходу внешних температур (например, спячка). Третий путь, избегание неблагоприятных температурных воздействий – общий способ для всех организмов.
Влажность
Вода – важный экологический фактор. Все биохимические реакции протекают в присутствии воды. Количество воды может меняться, но исчезать полностью не может. Даже в лишайниках и семенах злаков содержится до 7 % воды.
Влажность – параметр, характеризующий содержание водяного пара в воздухе.
Абсолютная влажность – количество газообразной воды, содержащейся в воздухе и выраженное через массу воды на единицу массы воздуха (грамм на 1 м3 воздуха).
Относительная влажность – соотношение количества имеющегося в воздухе пара к насыщенному количеству пара при данных условиях температуры и давления.
Важно распределение влаги по сезонам в течение года. Необходимо учитывать суточные колебания, а также характер осадков (снег, дождь, моросящий дождь и ливень).
По отношению к влаге различают эвригигробионтные и стеногигробионтные организмы.
Эвригигробионтные приспособились жить при различных колебаниях влажности.
По отношению к водному режиму наземные организмы подразделяются на 3 типа: гигрофильные (влаголюбивые), ксерофильные (сухолюбивые) и мезофильные (предпочитающие умеренную влажность). Гигрофилы: кислица обыкновенная, лютик ползучий, комары, стрекозы, ужи и др. Ксерофилы: жуки-чернотелки, верблюды, вараны и др.
По способу регулирования водного режима наземные растения подразделяются на 2 группы: пойкилогидридные и гомеогидридные. Первые не способны активно регулировать свой водный режим (грибы, водоросли, некоторые мхи). Вторые способны регулировать потерю воды.
В зависимости от местообитания различают следующие группы наземных растений: гигрофиты, мезофиты и ксерофиты.
Гигрофиты обитают во влажных местах, под пологом леса (папоротники) или на открытых пространствах суши, чересчур переувлажненных (осока, росянка), не обладают засухоустойчивостью. У них крупные тонкие листья.
Мезофиты характеризуются большими, мягкими, плоскими листьями: луговые травы, лесные растения (ландыш и др.), лиственные деревья (береза, осина, клен, липа), полевые (рожь, картофель), плодово-ягодные (яблоня, смородина, вишня), сорняки.
Переходная группа – ксеромезофиты – растения северных степей, сухих сосновых боров.
Ксерофиты – растения сухих местообитаний, способные переносить значительный недостаток влаги, почвенную и атмосферную засуху. Это – растения пустынь, сухих степей, саванн, сухих субтропиков.
Структурные приспособления защитного характера у ксерофитов, направленные на уменьшение расхода воды, следующие:
- общее сокращение транспирирующей поверхности за счет мягких, узких листьев;
- уменьшение листовой поверхности в наиболее жаркие и сухие периоды вегетационного сезона;
- защита листьев от больших потерь влаги на транспирацию благодаря развитию мощных покровных тканей, нередко выростов, волосков;
- усиленное развитие механической ткани.
Ксерофиты с выраженными ксероморфными чертами строения листьев, называются склерофитами (в переводе «твердый»). Они не накапливают в себе влагу, достают ее из почвы и испаряют в больших количествах. Тело этих растений жесткое, сухое.
Другая группа ксерофитов накапливают воду, они называются суккулентами (в переводе «сочный», «жирный»). Кактусы накапливают воду в стеблях, алоэ, агава – в листьях. Их тело покрыто толстым восковым налетом.
Совместное действие температуры и влажности
Температура и влажность являются ведущими климатическими факторами. Для животных выделены принцип смены местообитаний и принцип смены ярусов: мезофильные виды – в центре ареала, на севере его – более сухие, на юге – более влажные.
Атмосфера
Атмосфера – важная часть экосферы, включающая газообразные компоненты: углерод, азот, кислород, воду. Некоторые группы животных используют воздух как среду для передвижения.
Если в атмосферу поступают газы, в том числе загрязняющие, такие как диоксид серы в промышленных районах, то система атмосферной циркуляции перераспределяет их, и они могут выпасть в другом месте, растворенные в дождевой воде.
Ветер разносит семена и споры, но может вызвать и искривление деревьев в открытых пространствах.
Давление
Нормальным является давление 760 мм рт. ст. Чем выше (в горах), тем оно меньше. Это может вызвать гипоксию, аноксию.
Топография (рельеф)
Главным топографическим фактором является высота. Рельеф подразделяется на макрорельеф (горы, межгорные впадины, низменности), мезорельеф (холмы, овраги), микрорельеф (мелкие неровности).
Прочие физические факторы
К прочим абиотическим факторам относятся атмосферное электричество, огонь, шум, магнитное поле Земли, ионизирующее излучение.
Шум – один из абиотических факторов среды. Человек может выдержать шум силой до 100 Дб (предельно допустимая концентрация). Выстрел из винтовки производит 160 Дб, взлет реактивного самолета – 140, оркестр популярной музыки – 110, тяжелый грузовик – 100, отбойный молоток – 90, пишущая машинка – 60, шепот – 20 Дб.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое экосистема?
2. Дать понятию адаптации.
3. Приведите примеры ксерофитов.
Список использованной литературы:
1. Акимова Т.А., Хаскин В.В. Экология.: Учебник. – М.: ЮНИТИ,2009.- 556 с.
2. Бигалиев А.Б. Общая экология/Издание второе, переработанное и дополненное.-Алматы: Издательство «NURPRESS», 2011.
3. Денисова В.В. Экология. Учебное пособие.-М., 2004.
4. Абубакирова К.Д., Кожагулов С.О. Экология и устойчивое развитие. Алматы, 2001.