Основы экологии

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

Лекция по общей биологии (продолжение)

Термин экология был предложен в 1866 году немецким ученым Эрнестом Геккель и определен им как наука о месте обитания. Экология – это наука, изучающая закономерности взаимоотношений живых организмов между собой и с окружающей их средой. Как самостоятельная наука она оформилась в начале 20 века и представляет собой синтез различных отраслей знаний: биологии, геологии, географии, химия, математики и др. Экология делится на аутэкологию и синэкологию. Аутэкология изучает отдельные особи организма и их приспособления к условиям окружающей среды. Синэкология или экология сообществ, исследует группы организмов, например, популяции, семьи, виды и др. Одним из основных экологических понятий является среда обитания – это комплекс окружающих условий влияющих на организм. В понятии среды обитания входят элементы прямо или косвенно влияющие на организм, - они называются экологическими факторами. Выделяют три группы экологических факторов:

1. Абиотические

2. Биотические

3. Антропогенные

Эти факторы воздействуют на организм в различных направлениях:

1. Приводят к возникновению адаптационных изменений.

2. Ограничивают распространение организмов в среде.

3. Свидетельствуют об изменениях других экологических факторах.

К абиотическим факторам относятся факторы неживой природы: свет, температура, влажность, химический состав воды, почвы и атмосферы и т.д. Солнечный свет – главный источник энергии для живых организмов, биологическое действие солнечного света зависит от его характеристик: спектрального состава, интенсивности, суточной и сезонной периодичности. Ультрафиолетовая часть спектра обладает высокой фотохимической активности: в организме животных участвует в синтезе витамина D, эти лучи воспринимают органы зрения насекомых. Видимая часть спектра обеспечивает (красные, синие лучи) процесс фотосинтеза, яркую окраску цветков (для привлечения опылителей). У животных видимый свет участвует в пространственной ориентации. Инфракрасные лучи – источник тепловой энергии. Тепло важно для обеспечения терморегуляции хладнокровных животных (беспозвоночных и низших позвоночных). У растений инфракрасное излучение влияет на усиление транспирации (испарение с поверхности листа), что способствует поглощению СО2 и движению воды по телу растения. Растение и животные реагируют на соотношение между продолжительностью периода освещенности и темноты в течение суток или времени года. Это явление называется фотопериодизм. Фотопериодизм регулирует суточные и сезонные ритмы жизнедеятельности организмов, и представляет собой климатический фактор, который определяет жизненные циклы многих видов. У растений фотопериодизм проявляется в синхронности периода цветения и созревания плодов с периодом наиболее активного фотосинтеза; у животных в совпадение периода размножения с обилием пищи (клёст откладывает яйца зимой), в миграциях птиц, смены шерстного покрова у млекопитающих, впадением в спячку (анабиоз), изменениях в поведении.

Температура непосредственно влияет на скорость биохимических реакций в телах живых организмов, которые протекают в определенных пределах. Температурные границы, в которых обычно обитают организмы от 0 до 50 градусов. Но некоторые бактерии и водоросли могут обитать в горячих источниках при температуре 85-87 градусов. Высокие температуры до 80 градусов переносят некоторые одноклеточные почвенные водоросли, накипные лишайники, семена растений. Есть животные и растения способные переносить воздействия очень низких температур – до полного промерзания. Большинство животных относятся к хладнокровным (пойкилотермные) организмам – температура их тела зависит от температуры окружающей среды. Это все типы беспозвоночных животных и значительная часть позвоночных (рыбы, амфибии, рептилии). Птицы и млекопитающие – теплокровные (гомойотермные) животные температура тела, которых относительно постоянна и зависит от обмена веществ самого организма. У этих животных вырабатываются приспособления, позволяющие сохранять тепло тела (шерстный покров, плотное оперение, толстый слой подкожной жировой ткани и др.). На большей части территории Земли температура имеет четко выраженные суточные и сезонные колебания, что обусловливает определённые биологические ритмы организмов. Температурный фактор оказывает влияние и на вертикальную зональность фауны и флоры.

Вода – основной компонент цитоплазмы клеток, является важнейшим фактором, влияющий на распространение наземных организмов. Недостаток воды приводит к возникновению ряда адаптаций. Засухоустойчивые растения имеют глубокую корневую систему, более мелкие клетки, повышенную концентрацию клеточного сока, снижает испарение воды в результате редукции листьев, образование толстой кутикулы или воскового налета и др. многие растения могут поглощать влагу из воздуха (лишайники, эпифиты, кактусы). Эпифиты – тропические растения, поселяющиеся на других растениях, и используют их как субстрат. Ряд растений имеет очень короткий вегетационный период (пока в почве есть влага) – это тюльпаны, ковыль. В засушливое время они прибывают в состоянии покоя в виде подземных побегов луковиц или корневищ. У наземных членистоногих образуются крупные покровы (хитин), препятствующие испарения, выделяются нерастворимые продукты (мочевая кислота, гуанин). Многие обитатели пустынь и степей (черепахи, змеи) впадают в спячку в период засухи. Ряд животных (насекомые, верблюды) для жизнедеятельности используют метаболическую воду, которая вырабатывается при расщеплении жира. Многие виды животных восполняют недостаток воды за счёт её поглощения при питье или пищи (амфибии, птицы и млекопитающие).

По отношению к О₂ все живые организмы можно подразделить на две группы:

1. Аэробы

2. Анаэробы

В среде без О₂ обитают некоторые бактерии и эндопаразиты. Большинство организмов обитают в присутствии О₂.

О₂ земной атмосферы образовался биогенным путем в процессе фотосинтеза.

О₂ попадает в организмы из воды или воздуха разными способами: через поверхность тела (бактерии, простейшие, низшие беспозвоночные), с помощью особых органов дыхания – трахеи, жабры, легких. Растениями О₂ поглощается через устьица и чечевички – особые щели в покровной ткани.

СО₂ поступает в атмосферу земли при дыхании живых организмов, в результате процессов горения, извержения вулканов, гниения, выбросов промышленных предприятий и транспорта. Ассимилируют (синтезируют) СО₂ фотосинтезирующие бактерии (цианеи, оксифотобактерии) и зеленые растения. В итоге окисленное вещество – СО₂ переходит в глюкозу в результате фотосинтеза.

Биотические факторы представляют собой формы влияния на организм со стороны других живых организмов – влияние животных на растения, растений на животных, паразитарные отношения, взаимовлияние микроорганизмов и высших организмов друг на друга. К биотическим факторм относятся конкуренция, хищничество, паразитизм, симбиоз, комменсализм, мутуализм.

К антропогенным факторам относятся разнообразные формы деятельности человека, которые влияют на природу и оказывют влияние на существование всех организмов, в том числе и человека. Антропогенные факторы разнообразны по своей природе. Человек разрушает естественные биотопы в процессе строительства городов, электростанций, платин, дорог, при разработке месторождений, при ведении сельского хозяйства, вырубки лесов, осушении болот и т.д. В результате хозяйственная деятельность человека приводит к изменению и сокращению ареалов видов, нарушению их популяционной структуры. Происходит загрязнение окружающей среды побочными продуктами производства, к загрязняющим агентам относят: Н₂S, SО₂, соли тяжелых металлов (меди, свинца и цинка), радионуклиды, побочные продукты нефтепереработки и т.д. Особенно в районах с развитой промышленностью эти вещества могут вызывать гибель организмов и стимулировать развитие мутаций, что в итоге может привести к экологической катастрофе.

Ограничивающие факторы.

Экологические факторы изменяют общий характер воздействия на живые организмы: при недостаточном действии фактора или при его максимуме жизнедеятельность организмов угнетается. Наиболее эффективно проявляется действие фактора при оптимальном его значении.

Диапазон действия экологического фактора ограничивается точками минимума и максимума, которые соответствует крайним значениям фактора, при которых может существовать данный организм. Интенсивность фактора, соответствующий наилучшей жизнедеятельности организма называется точкой оптимума или оптимальной. Если определенный фактор среды или совокупность действующих факторов оказывают угнетающее действие на организм, то такие факторы называются лимитирующими или ограничивающими факторами. Организмы, которые способны существовать в разнообразных условиях внешней среды называются эврибионтными, например медведь живет в различных климатических условиях до субтропиках. Стенобионты приспособлены к обитанию в узком диапозоне среды, например форель живет только в чистых горных реках с высоким содержанием О2 в воде. Все факторы внешней среды, в которых обитает организм определённым образом взаимосвязанны между собой, поэтому организмы вынуждены приспосабливаться ко всей совокупности этих факторов. Подобная совокупность факторов необходимые для существования вида называется экологической нишей. Влияние экологических факторов на живые организмы многообразно, но вместе с тем можно выделить общие закономерности их воздействия. При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора, жизнеспособность организма угнетается. Наиболее эфективно фактор действует при значениях, оптимальных для данного организма. Диапозон действия экологического фактора представляет собой область толерантности вида. Область толерантности ограничена точками минимума и максимума, которые соответствуют крайним значениям данного фактора, при которых возможно существование организмов. Значение фактора соответсвующего наилучшим показателям для жизнедеятельности вида, называется оптимальной или точкой оптимума. Точки оптимума, минимума и максимума определяют норму реакции организма на данный фактор. Крайние точки кривой (минимум и максимум), которые выражают состояние угнетения организмов при недостатке или избытке фактора среды, называются областями пессимума. За пределами этих точек, то есть за пределами зоны толерантности, значения фактора среды являются летальными для живых организмов.

Условия среды, при которых какой- либо фактор или их совокупность оказывает угнетающее действие на жизнедеятельность организмов, называются ограничивающими. Они характеризуют экологические условия (освещенность, температуру, соленость и другие) в комфортных условиях обитания вида, а также в тех случаях, когда параметры местообитания организмов близки к пределам возможности существования для растений и животных.

Факторы среды, имеющие в конкретных условиях значения, наиболее удаляющиеся от оптимальных, затрудняют существование вида в данных условиях, несмотря на то, что значение других факторов оптимально, такая зависимость получила название закона ограничивающих факторов (этот закон называется закон минимума Либиха). Отклоняющиеся от оптимума факторы в подобной ситуации приобретают первостепенное значение для жизни видов в целом и отдельных особей в частности, что определяет их распространение, то есть географический ареал.