2. Основные понятия экологии

Современное распространение живых организмов опреде­ляется в первую очередь условиями среды, в которой они обитают. Все живые и неживые объекты, окружающие рас­тения, животных и другие организмы и непосредственно вза­имодействующие с ними, называются средой обитания.

Окружающая среда или окружающая природная сре­да – это та часть природы, на которую простирается влия­ние человека.

Элементы среды, воздействующие на живые организмы, называются экологическими факторами. По происхожде­нию и специфике оказываемого воздействия их делят на три основные группы:

• абиотические факторы — свойства неживой природы, которые прямо или косвенно влияют на живые организмы, определяя условия их существования (температура, свет, влажность, газовый состав возду­ха, атмосферное давление, осадки, снежный покров, ветер, солевой состав воды, почвы, рельеф местности и др.);

• биотические факторы – все формы воздействия жи­вых существ друг на друга. Каждый организм испытывает прямое или косвенное влияние со стороны других особей, вступает во взаимоотношения с представителями как своего, так и иных видов (растений, животных, микроорганизмов), зависит от них или сам оказывает воздействие на них;

• антропогенные факторы - все формы деятельности человека (промышленность, сельскохозяйственное произ­водство, транспорт и другие формы ведения хозяйства), кото­рые приводят к изменению природы как среды обитания дру­гих видов или непосредственно сказываются на условиях их существования. Антропогенные воздействия на живой мир планеты постоянно возрастают.

Несмотря на большое разнообразие экологических фак­торов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ прослеживается ряд общих закономерностей. К ним относится реакция организмов на интенсивность или силу воздействия фактора. Как недостаточное, так и избыточное воздействие отрицательно сказыва­ется на жизнедеятельности организма. Для представителей разных видов условия комфортности неодинаковы. Если од­ни растения влаголюбивы (капуста, кабачки), то другие пред­почитают засушливую погоду. Одни любят сильную жару (дыня), другие - тень, прохладу (цветная капуста). Эти фак­торы существенно влияют на рост и состояние растений. Точ­ка, при которой наблюдается их максимальный рост, назы­вается оптимумом. Обычно он связан с диапазоном темпера­тур. Благоприятная сила воздействия фактора (дозировка) называется зоной оптимума фактора для организма данно­го вида. Интервал температур, от минимальной до макси­мальной, при которой еще возможен рост, называют диапазоном устойчивости. Точки, ограничивающие его, т.е. мак­симальная и минимальная пригодная для жизни темпера­тура, это пределы устойчивости (выносливости) вида. Степень выносливости по отношению к данному экологичес­кому фактору называют экологической валентностью. Она характеризует способность организма заселять разнообраз­ные среды.

По мере приближения к точкам предела устойчивости, если действие фактора уменьшается или возрастает, жизне­деятельность снижается вплоть до полного угнетения или ги­бели живого существа (в нашем примере — растения). Речь идет о стрессовых зонах в рамках диапазона устойчивости. Аналогичное влияние могут оказывать и другие факторы.

Для всех видов растений и животных существуют опти­мум, стрессовые зоны (или зоны угнетения) и пределы устой­чивости (выносливости) в отношении каждого фактора окру­жающей среды (рис.).

В примере с температурой рассматривалось изменение только одного фактора в предположении, что все остальные соответствуют зоне оптимума. Мы наблюдали действие зако­на лимитирующих факторов, сформулированного Ю.Либи­хом. Фактор, который за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организма, называют лимитирующим. К его изменениям организмы особенно чувствительны. Нередко лимитирующими оказываются биотические факторы, т.е. воздействие одних видов животных и растений на другие. Например, недостаток пищи лимитирует развитие и распространение различных видов животных. К лимитирующим факторам развития растений относятся температура, свет, водообеспеченность и др. Ни один из факторов не действует в одиночку. Все организмы при взаимодействии со средой должны поддерживать динамическое равновесие, или гомеостаз.

Интенсивность воздействия фактора

Рис. Зависимость результатов воздействия экологического фактора от его интенсивности

Широкую экологическую валентность вида по отноше­нию к абиотическим факторам среды обозначают добавлени­ем к названию фактора приставки «эври» (от греч. eurys — широкий). Например, эвритермный — это вид, выносящий значительные колебания температуры. Узкая экологическая валентность обозначается приставкой «стено» (от греч. ste nos — узкий) – стенотермный вид. Виды, которые могут приспособиться к коле­баниям различных экологических факторов в широких пре­делах, называются эврибионтными, а виды, для существова­ния которых необходимы строго определенные условия, - стенобионтными.

Под воздействием экологических факторов живые орга­низмы объединяются в определенные иерархические систе­мы, представляющие собой разные уровни организации жи­вого вещества: популяции, сообщества и экосистемы.

Популяцией (от лат. populus — народ, население) назы­вают группу особей одного вида, занимающую определенное пространство и обладающую необходимыми возможностями для поддержания своей численности в постоянно изменяю­щихся условиях среды.

В природе популяции разных видов объединяются в сис­темы более высокого ранга - сообщества. Сообщество (био­тическое) - это совокупность популяций, населяющих опре­деленную территорию. Сообщества организмов связаны энер­гетическими связями с неорганической средой. Растения, например, могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, мине­ральных солей. Наименьшей единицей, к которой может быть применен термин «сообщество», является биоценоз (термин введен немецким зоологом К. Мебиусом в 1877 г.).

Биоценозами называют группировки совместно обитаю­щих и взаимосвязанных организмов. Масштабы биоценозов различны — от сообществ нор, муравейников, листвы де­ревьев до населения целых ландшафтов – лесов, степей, пус­тынь и др. Термин «биоценоз» употребляют чаще всего при­менительно к населению территорий, которые на суше выде­ляют по относительно однородной растительности, например биоценоз еловых лесов, пшеничного поля и т.д.

Биота (от греч. biote — жизнь) — совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных об­щей областью распространения. В отличие от биоценоза, био­та может характеризоваться отсутствием экологических от­ношений взаимной зависимости между видами.

Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально – энергетическими связями. Пространство, занимаемое биоценозом, называется биото­пом. Биоценоз и его биотоп представляют два нераздельных элемента, образующих более или менее устойчивую систему, именуемую биогеоценозом (от греч. bio — жизнь, geo — зем­ля, koinos — общий). Данное понятие введено в науку рус­ским ученым В.Н. Сукачевым в 1940 г.

Экосистема — единый природный ком­плекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором все компоненты связаны между собой обменовм веществ и энергии.

Биогеоценоз и экосистема понятия схожие, но не родственные. Оба подразумевают совокупность разных организмов и среды обитания, но экосистема – понятие безразмерное. «От капли до океана», - так образно охарактеризовал ее автор этого термина А.Тенсли. Муравейник, аквариум, пруд, болото, кабина космического коробля – все это экосистемы (рис.).

Рис. Схематическое строение экосистемы

Биогеоценоз в отечественной литературе принято харак­теризовать как экосистему, границы которой очерчены ареа­лом распространения растительного покрова — фитоценоза, например, степные, болотные, луговые и подобные им биоге­оценозы. Иными словами, биогеоценоз представляет собой частный случай экосистемы, это явление естественное, даже если речь идет о воздействии на него человека. Экосистема же может быть целиком искусственной (аквариум, косми­ческий аппарат и др.).

Поддержание жизнедеятельности организмов и кругово­рот веществ в экосистемах возможны только за счет посто­янного притока энергии. Жизнь на Земле существует благо­даря энергии солнечного излучения, которая переводится фотосинтезирующими растениями (автотрофами) в хими­ческие связи органических соединений. Все остальные орга­низмы получают энергию с пищей. Перенос энергии пищи от ее источника (автотрофов) через ряд организмов, происходя­щий путем поглощения одних организмов другими, называ­ется пищевой (трофической) цепью (рис.).

Каждая экосистема содержит совокупность животных и растительных организмов, которые по формам питания мож­но разделить на две группы: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы (кормящие себя сами, продуценты) - зеленые растения, способные осуществлять фотосинтез и использующие минеральные элементы для роста и воспроизводства. Фотосинтез – это сложный процесс превращения воды и углекислого газа в сахара с помощью солнечной энергии. Из образован­ных таким образом сахаров и минеральных элементов пита­ния, получаемых из почв или воды, растения синтезируют сложные вещества, входящие в состав их организмов. Ины­ми словами, простые химические вещества, из которых сос­тоят воздух, вода и минералы горных пород и почвы, превра­щаются в сложные соединения типа белков, жиров и углево­дов, называемые органическими.

Рис. Схема, иллюстрирующая пищевые цепи в экосистеме

Гетеротрофы (питающиеся другими) – организмы, ко­торым для питания необходимы органические вещества. Их отличает значительно более сложный обмен веществ. Все гетеротрофы подразделяются на организмы – потребители (консументы) и организмы, разлагающие органические вещества на исходные неорганические компоненты (редуценты).

Очевидно, что ни один организм не существует вне связи с другими. Каждый может жить, только взаимодействуя с ок­ружающей средой, в рамках определенной экосистемы. Яр­ким примером в этом смысле является лес. В экологической системе все связи между организмами образуют сложную цепь пищевых взаимоотношений, или трофические цепи (продуценты—консументы—редуценты), поскольку пища — важнейший фактор жизнедеятельности организмов.

Особая трофическая связь в биоценозе - паразитизм, при котором один вид – хозяин – является для другого – паразита – не только источником пищи, но и местом постоянного или временного обитания (например, фитофтора). Противо­положным примером служит симбиоз - взаимополезные связи между видами (бобовые — клубеньковые бактерии).

Совокупность множества параметров среды, определяю­щих условия существования того или иного вида и его функ­циональные характеристики (преобразование им энергии, обмен информацией со средой и с себе подобными и др.) пред­ставляет собой экологическую нишу. Она определяет не только положение вида в пространстве, но и его функцио­нальную роль в сообществе (например, трофический уро­вень), а также его положение относительно абиотических ус­ловий существования (температура, влажность и т.д.).

По Н.Ф. Реймерсу, экологическая ниша - это совокупность ус­ловий жизни внутри экологической системы, предъявляе­мых к среде видом или его популяцией. Таким образом, каж­дый вид занимает в среде, где он обитает, то место, которое обусловлено его потребностью в пище, территории и связано с функцией воспроизводства. Подобные экологические связи создают определенную структуру биоценоза. Биоценозы яв­ляются динамическими системами и находятся в постоян­ном развитии, им свойственна сукцессия.

Сукцессия (от лат. successio следую) - последователь­ная смена одного биоценоза другим. Суть этого явления зак­лючается в том, что под влиянием внутреннего развития био­ценозов, их взаимодействия с окружающей средой они посте­пенно «стареют» и сменяются другими типами биоценозов (например, зарастание озера и превращение его в болото; вы­сыхание болота и трансформация его в луг; смена пород в ле­су после пожара и т.д.).

Важное экологическое положение заключается в следующем: чем разнороднее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним воздействиям. Устойчивость природных биоценозов опреде­ляется тем, что слагающие их виды приспособи­лись друг к другу настолько, что стали заботиться о целостности, структуре своего биогеоценоза. Взаимоотноше­ния между хищником и его добычей, или жертвой, являются примером так называемой обратной связи,при которой один вид наносит ущерб другому, но не может жить без него. Дру­гой пример: в годы, когда растительная пища для какого-либо вида насекомого в избытке, его популяция быстро размно­жается. В системе проявляется положительная обратная связь, которая стремится вывести ее из равновесия. Но резко возросшая численность популяции приводит к столь же рез­кому снижению запасов растительной пищи, в результате нехватки которой в системе обнаруживается отрицательная обратная связь, возвращающая все в исходное состояние.

Устойчивость экосистем характеризует так называемый принцип Ле Шателье. Суть его состоит в том, что при внеш­нем воздействии, выводящем систему из состояния устойчи­вого равновесия, последнее смещается в направлении, при котором эффект этого воздействия ослабляется (действуют отрицательные обратные связи).