3. Екологічні фактори та їх вплив на живі організми.

Екологічний фактор — будь-який фактор середовища, що здатен тою чи іншою мірою, прямим або непрямим способом впливати на живі організми, в період хоча б однієї фази індивідуального розвитку.

Саме у визначенні екологічного фактора і знаходимо системний, комплексний підхід до вивчення закономірності функціонування як організму, так і їх сукупності. Так, відсутність якогось фактора у визначений період існування може гальмувати процес відтворення (відомо, що відсутність належних умов може призупинити розвиток понад і, отже, організм не розмножується) або ріст (рослини проростають тільки при визначеній сукупності факторів). Опосередкованість впливу екологічного фактора визначається залежністю одного організму від іншого. На перший погляд, важко уявити залежність хижака від екологічного фактора Сонця, але вивчення трофічних взаємовідносин засвідчило, що хижак непрямим чином залежить від даного екологічного фактора, позаяк кількість їжі, яку він споживає, залежить від кількості та якості організмів, що споживає його жертва.

Екологічні фактори середовища, що ними зв'язаний будь-який живий організм, поділяють на дві категорії: абіотичні (фактори неживої природи) та біотичні (фактори живої природи). Існує певна умовність поділу і взаємовпливу абіотичних та біотичних факторів, оскільки живі організми здатні призвести до змін, які ведуть за собою і зміни абіотичних факторів (ліс знищений шкідниками, активна риюча діяльність норників на схилах може призвести до початку процесу ерозії). Отже, сучасна екологічна наука розглядає наступні фактори навколишнього середовища, які впливають на функціонування як живих організмів, так і систем в цілому.

Абіотичні фактори — сукупність кліматичних, ґрунтових (едафічних), а також топографічних факторів. Сюди також відносять потоки, хвилі і т.д.

Біотичні фактори — сукупність взаємовпливу життєдіяльності одних організмів на інші. Біотичний компонент можемо поділити на автотрофні та гетеротрофні організми. Перші з них самі автономно під впливом складних біохімічних процесів здатні продукувати органічну речовину, другі — тільки споживають накопичене.

В останні десятиліття деякі вчені відокремлюють ще одну групу екологічних факторів, які можуть і змінюють умови існування та функціонування екосистем, — антропогенні фактори. З огляду на сучасний вплив людини на процеси, що відбуваються в навколишньому середовищі, таке відокремлення є виправданим, хоча, з точки зору біоекології, людина є таким самим організмом, як і всі інші. Фізіологічно, фізично, хімічно, біологічно людина не відрізняється від інших живих організмів, тому виділення даної групи є скоріше визначенням ролі людини як екологічного фактора стосовно до інших живих організмів та середовища існування.

Існує декілька класифікацій екологічних факторів, де до уваги беруться або умови існування (класифікація Ніколсона — Швертфегера), або реакції живих організмів, що були під впливом різних екофакторів (класифікація Мочадського), або

розподіл екофакторів до простих фізичних, кліматичних, трофічних та біотичних умов існування живого (класифікація Р. Дажо).

Усі класифікації екологічних факторів, поряд з певними відмінностями між собою, мають і певну єдність, зокрема в тому, що сукупність фізичних та хімічних параметрів середовища творять кліматичні умови існування живих організмів. Для спрощення розуміння факторів неживої природи їх поділяють на кліматичні, або кліматоутворюючі, едафічні, орографічні, гідрологічні, геологічні (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Складові абіотичних факторів

Серед кліматичних факторів особливе місце займають екофактори, що мають концентрований вплив і серед інших виділяються екологами як головні кліматоутворюючі екофактори.

До таких належать: енергія сонця; освітленість; температура; вологість; газовий склад атмосфери; тиск.

Розглянемо ці екофактори більш докладно, а також проаналізуємо пристосувальні реакції організму на дію того чи іншого кліматичного фактора.

Енергія сонця

Сонце — єдине джерело енергії на нашій планеті. Енергія у вигляді світла, у всіх його проявах, необхідна для життя. Нам відомо, що світло є невід'ємною умовою процесу фотосинтезу, але поряд з цим є й інші аспекти його впливу на живі істоти. Розглядаючи ці аспекти, слід відзначити, що вони залежні від інтенсивності світла, довжини хвилі, кольору та фотоперіоду, тобто чисто фізичних параметрів. Усі ці властивості світла залежать від кута падіння сонячних променів на земну поверхню. Якщо на екваторі довжина світлового дня (фотоперіод) більш-менш постійна (близько 12 годин), то у вищих широтах вона залежить від пори року і змінюється циклічно. Зрозуміло, що в таких умовах життєві цикли живих організмів синхронізовані відповідно до конкретної пори року (фотоперіоду). Ця синхронізація проявляється у різних формах пристосування, таких як сплячка, діапауза комах, приліт/відліт птахів тощо. Людина навчилась використовувати інші джерела світла, і тому для неї енергія Сонця має непрямий вплив через інші компоненти системи. Кількість променистої енергії, яка проходить через атмосферу, є постійною величиною: 1,98 до 2 кал/см2хв., або 5х1020Ккал в рік на всю поверхню земної кулі. Цю величину називають сонячною сталою.

Освітленість земної поверхні, як фактор, що випливає з попереднього, має більш концентрований вираз впливу на живий організм. Освітленість земної поверхні виражена у тих системах, де ярусність рослинного покриву, а також топографія земної поверхні зумовлюють адаптацію живих організмів (тіньовитривалість, світлолюбність). Яскравим прикладом пристосування до різних параметрів освітленості є ярусність лісу, коли залежно від кількості сонячного випромінювання організми (зокрема рослинні) закономірно займають певний ярус в системі. З огляду на потребу організмів у освітленості їх можна поділити на світлолюбні та тіньовитривалі. Знання вимог організму до освітленості та енергії сонячного випромінювання має неабияке практичне значення. Аналіз параметрів освітленості є основою до впровадження нових сільськогосподарських культур, виведення нових сортів. Завдяки дослідженням освітленості як екологічного фактора вдалось розширити географію вирощування окремих культур, отримати вищі врожаї тих, які вже введені в культуру. Дія освітленості поширюється як на сушу, так і на водні екосистеми. У цьому випадку слід враховувати, що водне середовище значно відрізняється від повітряного — насамперед за своїми фізичними властивостями. Світло набагато важче проникає через товщу води, чим зумовлене зосередження живих організмів переважно у верхніх шарах води. У глибоководних організмів спостерігаються зміни навіть у будові світлосприймаючого апарату. В одних випадках превалює орган зору — очі набувають великих розмірів, в інших — помітна їх цілковита втрата.

Температура

Якщо живий організм у змозі адаптуватись до дефіциту освітленості і у нього виникають певні пристосування, або при здатності до локомоції організм шукає більш освітлені ділянки, то до температури живі організми більш вибагливі. Кожен окремий організм пристосований до конкретних температурних умов і може існувати тільки в певних межах, до яких пристосовані його метаболізм та структура. Пониження температури нижче точки замерзання в клітині веде до фізичного розладу самої структури клітини та її загибелі. У цьому випадку спрацьовують насамперед фізичні параметри води. При зниженні температури вода збільшується в об'ємі і тим самим призводить до руйнування клітини. Температура, більша за обмежений максимум, веде до денатурації основних білкових компонентів, а отже, до загибелі. Живий організм здатний регулювати температуру в певних межах, але різкі перепади температурного режиму можуть призвести до розладу функціонування організму, а інколи навіть до загибелі. Наведене свідчить, що живий організм може існувати тільки в певних температурних межах. У живих організмів є цілий ряд пристосувань, які дають їм змогу втримувати температуру в певних межах. До таких слід віднести: потовиділення, товщину жирового відкладу, густину шерсті (зимою — густіша, літом — рідша), аптерії та птерилії у птахів, діапаузу комах, циклічність розвитку рослин і т.д. У багаторічних рослин існує цікаве пристосування до згубної дії низьких температур. Восени вони намагаються якомога більше води видалити зі свого організму, оскільки при сильних морозах замерзання води в клітинах неминуче.

Слід відзначити, що коливання температури водного середовища проходить менш помітно, оскільки водне середовище має більш високу теплоємність. Звідси і зігрівальний ефект теплих течій, які сильно впливають навіть на клімат окремих ділянок суші (клімат Британських островів перебуває під сильним впливом теплої течії Гольфстрім, яка їх "гріє").

На температурний режим системи значною мірою може впливати і рослинний покрив (температура в лісі, полі), в такому випадку біотичний компонент є важливим фактором утворення мікроклімату. Густина хвойних сприяє затримці руху повітряних мас і створюється ефект нагрівання. Цей факт був здавна помічений людиною і активно використовується в лісовому господарстві. Змішані насадження хвойних та листяних порід сприяють кращому виживанню останніх.

Вологість

Вода необхідна для життя і нерідко виступає лімітуючим фактором у наземних екосистемах. Слід відзначити, що вода є єдиним розчинником на нашій планеті, завдяки воді відбувається переміщення речовин із навколишньої, неживої природи до живих організмів. На планеті Земля вода одночасно перебуває в трьох агрегатних станах — рідкому, твердому і пароподібному. В природі діє безперервний кругообіг води, так званий гідрологічний цикл (рис. 2.2).

Континенти Океани

Рис. 2.2. Біогідрологічний цикл води (Злобін, 1998)

Слід відзначити, що на планеті Земля існує певна рівновага між кількісними параметрами води в повітрі, Світовому океані та на суші. Разом з тим не вся вода, яка є на нашій планеті, доступна живим організмам. Усі живі організми використовують насамперед прісну воду, хоча значна їх кількість використовує води Світового океану як середовище Існування. Якщо проаналізувати відсоткове співвідношення води, то ми наглядно побачимо, чому питання прісної води є найактуальнішим на сьогоднішній день.

Вся вода: 100% 97% Світовий океан 3% прісна вода

75% льодовики 24% ґрунтова вода

0, 06% ґрунтова вологість 0,03% ріки 0,3 % озера

0, 035% водяна пара в атмосфері. Як бачимо, відсоткове співвідношення води на планеті Земля нерівномірне. З усіх запасів прісної води тільки близько одного відсотка може використовуватись живими організмами. Таким чином, цілком зрозумілою є проблема збереження якості прісних вод.

Волога настільки важлива для живих організмів, що в переважній більшості екосистем нашої планети влітку після кожного дощу вся природа "оживає". Дощ є механізмом, що забезпечує початок весняного проростання насіння ряду рослин. Таке насіння містить інгібітори, що гальмують їх проростання в несприятливий час. Весняні дощі вимивають ці інгібітори з насіння, і тоді воно починає проростати. Але не всі опади корелюють з біомасою і, зокрема, з врожаєм культурних рослин. Опади у вигляді злив погано утримуються ґрунтом і мало використовуються рослинами. Незначним буває ефект від опадів на легких піщаних ґрунтах. Водний режим екосистем визначається не тільки кількістю опадів як таких, а й співвідношенням його до режиму випаровування води. Оцінюючи цей параметр, слід враховувати температуру, оскільки вона в першу чергу впливає на інтенсивність випаровування. Сумарним показником режиму зволоженості в екосистемі може бути гігрометричний індекс:

Повітря має сильну осушувальну дію, тому у рослин і тварин спостерігається велика кількість цікавих пристосувань до зниження випаровування. У наземних тварин це поява рогових покривів, у рослин — воскових. Одночасно живим організмам доводиться підтримувати певний оптимальний режим втрати пароподібної вологи, оскільки випаровування — це найефективніший спосіб самоохолодження організму в умовах високої температури повітря. У теплокровних тварин для такого охолодження за допомогою випаровування слугують потові залози (у собак їх на тілі немає, тому в спекотливий час вони висовують язика), а в рослин вода випаровується через численні продихи на листках.

Джерелами поступлення води на поверхню суші є — дощ, сніг, град, роса, що в сукупності формують поверхневі води. Значний відсоток "ґрунтової води" недоступний живим організмам, за винятком людини. З огляду на певну потребу організмів у воді прийнято ділити їх на групи. Так, залежно від здатності утримувати вологу або витримувати без води, рослини поділяють на:

• ксерофіти — які здатні довший час витримувати без води;

• мезофіти — із середньою витривалістю;

• гідрофіти — які не можуть витримувати без води, вода для них є основним лімітуючим фактором.

Пристосування живих організмів до нестачі чи надлишку води надзвичайно різноманітні.

Пристосування до зменшення втрати води. Рослини: листя, перетворені у голки, листя, згорнуті в циліндр, на 2/4 товста воскова кутикула, опущені листки, скидання листя при засушливих періодах, збільшена коренева система або глибоко проникаюче коріння (кактуси, альпійська флора). Тварини: виділення азоту у вигляді сечовини (птахи, комахи, деякі рептилії), дихальні органи прикриті клапанами (комахи), тварини ховаються в норах і активні переважно вночі (пустельні види), тканини витривалі до високих температур (верблюд). Запас води — у вигляді жиру, в цьому випадку вода — продукт окислення (верблюд, пустельний пацюк).

Фізіологічні пристосування до нестачі води: при несприятливому періоді видимі ознаки обезводнення не призводять до загибелі (мохи, лишайник, деякі папороті), зменшення маси тіла при наступному різкому її збільшенні при наявності води (верблюд може втратити до 30% маси тіла). Проблеми з водою можуть бути і в організмів, які населяють водні системи. Тут значний вплив на водний режим мають насамперед її хімічний склад, фізичні умови, які можуть спричинити зміни гідрорежиму водойми та організму. У цьому випадку слід звернути увагу на такий, на перший погляд простий і нешкідливий, забруднювач, як тепла вода. Тривалий час вважалося, що тепла вода не є забруднювачем. Пізніше з'ясували: зокрема для закритих водойм даний вид забруднення має надзвичайно концентрований вплив, оскільки під впливом теплої води змінюється інверсія води з верхніх шарів у нижні і навпаки, через що змінюється кисневий режим водойми. У цьому випадку слід враховувати, що найбільша питома вага води при 4°С і збільшення температурних параметрів води ведуть до перебудови обміну киснем.

Газовий склад атмосфери і тиск

Атмосфера є важливою частиною екосфери, з якою вона пов'язана біогеохімічними циклами, які включають газоподібні компоненти. Це, насамперед, кругообіг азоту, кисню, води. Велике значення мають також фізичні властивості атмосфери, повітря утворює незначний опір руху і не в змозі бути опорою для наземних тварин. Але разом з тим існують групи тварин, які використовують політ як спосіб пересування, добування їжі (клас птахи, тип комахи, деякі ссавці). В атмосфері відбувається постійна циркуляція повітряних мас, енергією для якої є Сонце. Результатом циркуляції є перерозподіл водяної пари. Захоплюючи її в одному місці та переносячи в інше, вітер здіймає різні елементи і переносить їх разом з парою. Важливою атмосферною змінною є тиск, який зменшується з висотою. Дія тиску має відносно невелике значення для сухопутних організмів, оскільки під час підйому на висоту 5000 метрів над рівнем моря тиск становить 50% від норми. Високогірні організми відчувають нестачу кисню, і, як наслідок, у них підвищений вміст еритроцитів та гемоглобіну у крові. Цим, зокрема, пояснюється необхідність довготривалих "адаптаційних" таборів для альпіністів при сходженні на вершини Паміру та Гімалаїв.

Значення тиску як лімітуючого фактора більше виявляється у глибоководних організмів, де високий тиск поряд із низькою температурою та недостатністю світла є необхідністю. При цьому у живих організмів, що населяють глибоководні ділянки, є цілий ряд пристосувань, що дозволяють їм витримувати підвищений тиск. Це, насамперед, окостеніння покривів тіла і утворення панцирів. Яскравим прикладом таких пристосувань є риби химери. Пристосування також торкаються фізіології функціонування цих істот.

Едафічні (ґрунтові) фактори

Едафічні (від грецьк. едафос — ґрунт, земля) фактори — це ґрунтові умови, що впливають на життя і поширення живих організмів. Як відомо, живі організми існують не лише в ґрунті, а й у місцях, де його ще немає: скелі, дюни, терикони, кар'єри. Тому під едафічним фактором уявляється значно ширше коло умов, ніж ґрунт. Ґрунт як субстрат існування рослин та об'єкт землеробства цікавив ще античних дослідників. У творах Аристотеля і Теофраста ґрунти поділені на чудові, добрі, родючі, прийнятні, виснажені, бідні і безплідні. Наприкінці XVIII ст. і в першій половині XIX ст. у Західній Європі виникло дві концепції про ґрунт: аерогеологічна й аґрокультурхімічна. Прихильники першого напряму розглядали ґрунт як крихку гірську породу, яка утворюється зі щільних гірських порід під впливом вивітрювання. Рослинам відводилась пасивна роль перехоплювачів елементів живлення, які вивільнилися під час вивітрювання. Аґрокультурхімічний напрям пов'язаний з працями Ю. Лібіха та інших дослідників, які розглядали ґрунт лише як джерело живлення. Теером була висловлена гіпотеза, що рослини живляться органічними речовинами (так звана гумусова теорія). Лібіх розглядав ґрунт не як природне утворення, а лише як масу поза процесом її виникнення і розвитку. Лише у 1883 р. В.В. Докучаєв вперше довів, що ґрунт — самостійне природне тіло, і його формування є складним процесом взаємодії п'яти природних факторів ґрунтоутворення: клімату, рельєфу, рослинного і тваринного світу, ґрунтоутворюючих порід і віку. Він показав, що ґрунт безперервно змінюється в часі і просторі. Вчення про ґрунт В.В. Докучаєва дістало завершення в біосферній теорії В. Вернадського, який припустив, що навіть Гранітні скелі мають біологічне походження.

Отже, становлення ґрунту відбувається завдяки взаємодії організмів, материнської породи, сонячного випромінювання і опадів. Едафічний фактор, на відміну від інших, має своєрідний характер. По-перше, він не лише впливає на організми, а й одночасно слугує середовищем існування для багатьох видів мікробів, рослин і тварин, тобто належить до факторів, які формують середовище. По-друге, ґрунт є продуктом динамічної взаємодії між гірською породою, кліматом і органічним світом, а сьогодні також і з людським суспільством. Таким чином, Ґрунтові організми разом з абіотичними факторами створюють своє середовище проживання. І, нарешті, по-третє: едафічний фактор межує з абіотичними і біотичними факторами. Едафічний фактор мінливий у просторі. Це явище влучно ілюструє географічна зональність ґрунтів, відкрита В.В. Докучаєвим. Однак навіть в умовах однієї зони трапляється мозаїчне розмаїття ґрунтів, тобто так званих едафотопів. Вчення В.В. Докучаєва заклало підвалини сучасної науки про ґрунт — ґрунтознавство. Згідно з Докучаєвим, існує п'ять ґрунтоутворюючих факторів:

· клімат;

· геологічна основа (материнська порода);

· топографія (рельєф);

· живі істоти;

· час.

Виходячи з вищевикладеного, можна навести одне з визначень ґрунту. Ґрунт — шар речовини, який знаходиться поверх гірських порід кори Землі.

У склад ґрунту входять мінеральна основа (як правило, 50— 60% загального складу), органічна речовина (до 10%), повітря (15—25%), вода (25—35%). Мінеральна основа — неорганічний компонент, який утворився з материнської породи в результаті її вивітрювання; органічна речовина — утворюється при розкладі мертвих організмів та їх частин (листя, тварини); повітря — знаходиться в порах ґрунту і необхідне для існування кореневої системи рослин; вода — необхідна всім ґрунтовим організмам як розчинник речовин, які потребують рослини. Вода також бере участь у перетворенні материнської породи.