Лекция №25

Тема: ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ВЛИЯНИЯ НА ОРГАНИЗМ. ФОТОПЕРИОДИЗМ. СРЕДА СУЩЕСТВОВАНИЯ. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ К ФАКТОРАМ СРЕДЫ. ПОПУЛЯЦИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОПУЛЯЦИИ. ОСОСБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ ПОПУЛЯЦИИ ЧЕЛОВЕКА. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЧИСЛЕННОСТЬ ПОПУЛЯЦИИ, ДИНАМИКА И КОЛЕБАНИЕ ЧИСЛЕННОСТИ ПОПУЛЯЦИИ. ЭКОСИСТЕМЫ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМОВ В ЭКОСИСТЕМАХ.

Экология как самостоятельная наука сформировалась только во второй половине Х1Х столетия, когда окончательно стало понятно, что невозможно изучать живые организмы вне их среды обитания. Само название «Экология» предложил в 1866 году выдающийся немецкий биолог Э.Геккель.

Экология – наука о взаимосвязях живых организмов и их сообществ между собой и средой их обитания, о структуре и функционировании надорганизменных систем.

Основные задачи экологии:

- выявление взаимосвязей между организмами, их сообществами, и условиями среды обитания;

- изучение структуры и закономерностей функционирования сообществ организмов;

- наблюдения за изменениями в отдельных экосистемах и в биосфере в целом, прогнозирование их последствий;

- создание базы данных и разработка рекомендаций для экологически безопасного планирования хозяйственной деятельности человека;

- применение экологических знаний в деле охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.

Следовательно, предметом экологии является разнообразие и структура взаимосвязей между организмами, их сообществами и средой обитания, а также состав и закономерности функционирования сообществ организмов: популяций, биоценозов, биогеоценозов, биосферы.

В экологии различают такие основные направления: экологию особей, популяционную экологию и биогеоценологию. Если первое из них рассматривает влияние экологических факторов на отдельных особей, то популяционная экология изучает популяции организмов как особый уровень организации живой материи: их структуру, состояние, механизмы саморегуляции. Биогеоценология – наука о структуре, функционировании и саморегуляции сообществ организмов (биогеоценозов) и биосферы в целом.

К экологическим наукам также относятся: экология бактерий, грибов, растений, животных, гидробиология, радиоэкология и другие науки.

Таким образом, экология – это комплексная биологическая наука, тесно взаимодействующая со многими другими как биологическими, так и небиологическими науками, например, математикой, физикой, химией и др.

Ныне перед угрозой глобального экологического кризиса как никогда актуальна проблема объединения усилий ученых разных стран для проведения совместных экологических исследований. В 1964 году начались работы по общей Международной биологической программе (МБП), благодаря которым удалось установить потенциальную продуктивность биосферы и ту часть ее продукции, которую человек без значительного ущерба для окружающей среды может использовать для своих нужд.

Объединение усилий экологов разных стран необходимо и для создания биологических основ охраны окружающей среды, так как не существует экологических катастроф местного значения: последствия событий, происшедших в одной стране, влияют и на другие, отдаленные от нее. Актуальность этой проблемы наглядно продемонстрировали авария на ЧАЭС, АЭС Фукусима – 1, и т.д. На решение проблем рационального природопользования, взаимоотношений общества, людей и природы направлена также международная программа «Че6ловек и биосфера». Ее цель – развитие у людей экологического мышления.

Все компоненты среды обитания, влияющие на живые организмы, их сообщества называются экологическими факторами. В зависимости от природы и особенностей действия на организмы экологические факторы делят на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы – это компоненты и свойства неживой природы (температура, влажность, освещенность, состав атмосферы, воды и т.д.), которые прямо или опосредовано влияют на отдельные организмы или их сообщества.

Биотические факторы – это различные формы взаимодействия между особями в популяциях и между популяциями в сообществах. Они могут быть антагонистическими (конкуренция, паразитизм и т.д), взаимовыгодными (мутуализм) или нейтральными. Каждый организм постоянно взаимодействует с особями своего (внутривидовые связи) или других (межвидовые) видов.

К отдельной группе экологических факторов принадлежат различные формы хозяйственной деятельности человека – антропогенные факторы, изменяющие состояние среды обитания различных видов живых существ, в том числе и самого человека. За относительно короткий период существования человека как биологического вида его деятельность коренным образом изменила вид нашей планеты и с каждым годом это влияние все больше возрастает.

Интенсивность действия определенных экологических факторов может оставаться относительно постоянной на протяжении значительных исторических периодов развития биосферы, например, солнечное излучение, сила земного притяжения… Большинство же из них имеет изменчивую интенсивность действия (температура, влажность и т.д.). Изменения действия экологических факторов могут быть:

- периодическими, в зависимости от времени суток, положения Луны и т.д.;

- непериодическими, например, извержения вулканов, землетрясения, ураганы и т.д.;

- направленными на протяжении значительных исторических промежутков времени, например, изменения климата Земли.

Каждый из живых организмов постоянно приспосабливается ко всему комплексу экологических факторов, то есть к среде обитания, регулируя свои процессы жизнедеятельности в соответствии с изменениями их действия. При этом к действию каждого из них он приспосабливается независимо от других. Организмы, не способные приспособиться к изменениям окружающей среды, исчезают из определенной экосистемы или с планеты вообще. Приспособления к определенной среде обитания возникают не сразу, а формируются на протяжении исторического развития вид. В этом и проявляется принцип единства организма и среды их существования: организмы приспособлены именно к той среде обитания, в которой они обитают.

Приспособления организма к условиям среды обитания называют адаптациями. Хорошая приспособленность организма к воздействию одного экологического фактора не означает такой же степени адаптации и к действию других.

Экологами открыт закон оптимума: каждый экологический фактор имеет только определенные пределы положительного влияния на организмы. Пределы интенсивности действия экологического фактора, благоприятной для организмов определенного вида, называют зоной оптимума. Значения интенсивности действия фактора, за которыми существование организмов становится невозможным, называют верхним и нижним пределами выносливости (или точками максимума и минимума). Расстояние между точками максимума и минимума – это те пределы интенсивности действия экологического фактора, в которых возможно существование организмов данного вида.

Оптимум и пределы выносливости по отношению к определенному фактору среды обитания могут смещаться в ту или иную сторону в зависимости от того, с какой интенсивностью и в каком сочетании будут действовать другие факторы – явление взаимодействия экологических факторов. Низкая интенсивность действия некоторых экологических факторов может быть частично компенсирована за счет других подобных факторов – закон взаимокомпенсации экологических факторов. Фактор, интенсивность действия которого приближается к переделам выносливости или выходит за них, называют ограничивающим. Ограничивающие факторы определяют территорию расселения вида – его ареал.

Таким образом, возможность существования вида в определенных условиях может определяться как избытком, так и недостатком любого из экологических факторов, интенсивность действия которого приближается к критическим точкам минимума и максимума – закон толерантности.

Живые организмы – обитатели нашей планеты – освоили 4 основные среды обитания: наземно-воздушную, водную, почву, а также организмы других видов. Среда обитания – это совокупность условий, в которой обитают особи, популяции и сообщества организмов различных видов.

●Наземно-воздушная среда наиболее разнообразна по своим условиям. Ведущая роль среди абиотических факторов тут принадлежит освещенности, температуре, влажности, газовому составу атмосферы.

В спектре солнечного света выделяют три участка: ультрафиолетовые, видимые и инфракрасные лучи.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 0,29 мкм пагубно действуют на живую материю, но их почти полностью поглощает озоновый экран. Без него существование организмов на суше вообще было бы невозможно. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0,29-0,4 мкм в больших дозах также отрицательно влияют на живые организмы. Но в небольших дозах эти лучи необходимы, т.к. способствуют образованию витамина Д.

На долю видимых лучей с длиной волны от 0,41 до 0,75 мкм приходится свыше 50% солнечного излучения, достигающего поверхность Земли. Именно благодаря этим лучам возможен фотосинтез.

Инфракрасные лучи с длиной волны свыше 0,75 мкм являются источником тепловой энергии для живых существ. Некоторые животные используют их для повышения температуры тела.

Температура играет большую роль в жизни живых организмов, поскольку влияет на температуру их тела, которая определяет скорость реакции обмена веществ. Для большинства организмов оптимальные значения температуры – от +10 до +30^оС. В неактивном состоянии живые организмы могут выдерживать значительно более широкий диапазон температур (от -200 до +100^оС). Переносить неблагоприятные условия организмы могут в состоянии анабиоза – состояние организмов, при котором отсутствуют заметные проявления процессов жизнедеятельности в результате значительного замедления обмена веществ. Он сопровождается значительными потерями воды (до75%).

Способность к жизни при определенном диапазоне температур обеспечивает терморегуляция – способность живых существ поддерживать постоянное соотношение между образованием тепла в организме (теплопродукцией) или его поглощением из внешней среды и потерями тепловой энергии (теплоотдачей).Он может быть химической и физической.

Влажность также играет большую роль в жизни организмов. Организмы приспосабливаются к экономному потреблению и расходу воды.

Газовый состав атмосферы также важен. 21% в составе нижних слоев атмосферы составляет кислород, 0,03% - углекислый газ и 78% - азот. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере тормозит процессы дыхания, но интенсифицирует фотосинтез.

 Водная среда обитания в значительной степени отличается от наземно-воздушной. Вола имеет высокую плотность, меньшее содержание кислорода, значительные перепады давления, соленость воды и т.д. Обитатели водоем – гидробионты – приспособились как к обитанию в водной среде вообще, так и к определенному типу водоема.

Организмы, обитающие в толще воды, входят в состав планктона и нектона.

Планктонные организмы не способны противостоять течениям, поэтому разносятся ими на большие расстояния. Нектонные организмы способны активно передвигаться в толще воды независимо от направления течения.

В состав бентоса входят организмы, обитающие на поверхности или в толще дна водоемов. Основные свойства водной среды - высокая теплоемкость, небольшие годовые колебания температуры. Освещенность водоемов быстро уменьшается с увеличением глубины. Некоторые глубоководные организмы способны вырабатывать свет сами за счет окисления определенных липидов – биолюминисценция.

Водоемы отличаются по солевому составу воды. Один из факторов водной среды – плотность воды. На жизнь гидробионтов влияет и вязкость воды. Переживать засушливые периоды некоторые организмы могут закапываясь в дно, иногда образуют защитную наружную оболочку.

 Почва – это верхний плодородный слой литосферы, образованный деятельностью живых организмов. Почва представляет систему полостей, заполненных водой или воздухом. Благодаря наличию воды, условия жизни в почве напоминают условия в водной среде. Другой особенностью почвы как среды обитания является сравнительно небольшая амплитуда суточные колебаний температуры.

Над почвой расположен слой подстилки, формирующейся в основном за счет растительного опада.

Верхний слой почвы – гумусовый, он темноокрашенный и характеризуется высоким содержанием органических веществ. Нижний слой – материнская порода, материал которой со временем измельчается и преобразуется в почву.

 Живые организмы, как среда обитания по своим свойствам значительно отличаются от остальных. Все формы существования различных видов организмов называют симбиозом. Симбиоз может быть обязательным, когда существование обоих организмов или одного из них невозможно без другого, и необязательным, когда организмы могут существовать вместе или отдельно друг от друга.

В зависимости от характера взаимосвязей организмов различают разные типы симбиоза: паразитизм, комменсализм и мутуализм.

Паразитизм - тип взаимосвязей между организмами различных видов, при котором один из них (паразит) длительное время использует другого(хозяина) как источник питания и среду обитания, частично или полностью возлагая на него регуляцию своих взаимоотношений с внешней средой.

Комменсализм – такой тип взаимоотношений между организмами, при котором один из них (комменсал) использует организм, жилище, остатки пищи или продукты жизнедеятельности другого (хозяина), не нанося ему заметного вреда. Комменсализм может осуществляться в форме квартирантства и нахлебничества.

Мутуализм – такой тип сосуществования различных видов, при котором они получают взаимную выгоду.

Одно из наиболее общих явлений природы – сезонная периодичность. Периодические изменения интенсивности экологических факторов влияют на формирование у живых организмов адаптивных биологических ритмов: суточных, приливно-отливных, сезонных, годичных. С этими ритмами связано явление биологических часов – способности организма реагировать на течение времени. Сезонные ритмы связаны с обращением Земли вокруг Солнца, что обуславливает годичные циклы изменения климатических условий.

Одним из ведущих факторов, влияющих на биологические ритмы организмов, является фотопериод – продолжительность светового периода суток. Фотопериодизм – реакция организма на изменение фотопериода.

Каждый биологический вид в процессе своего исторического развития приспосабливается к определенным условиям среды.

Экологическая ниша – это пространственное и трофическое положение популяции данного вида в биогеоценозе, комплекс его взаимосвязей с другими видами и требований к условиям среды обитания. Совокупность экологических ниш, занимаемых разными популяциями определенного вида в различных биогеоценозах, составляет экологическую характеристику вида.

Местообитание вида – это часть пространства в биогеоценозах, населенная популяциями данного вида, которая обеспечивает их необходимыми ресурсами и условиями существования.

На территории, которую занимает вид, отдельные особи собраны в группы – популяции. Популяция – это совокупность особей одного вида, продолжительное время обитающих в определенной части его ареала частично или полностью изолированно от других подобных группировок.

Популяция, как структурная единица вида, характеризуется определенными показателями: численность популяции, площадь, или объем, плотность (среднее число особей, которая приходится на единицу площади или объема), биомасса (масса особей в пересчете на единицу площади или объема), рождаемость (количество особей, родившихся за единицу времени), смертность (количество особей, умерших за это же время), прирост (разность между рождаемостью и смертностью). Половая структура популяции зависит от соотношения особей разных полов, а возрастная – от распределения особей разного возраста. Распределение особей популяции по территории, которую она занимает, определяет ее пространственную структуру. Экологическая структура популяции – это система взаимосвязей между особями, проявляющаяся в их поведении. Наука о биологических основах поведения животных называется этология.

Колебания численности популяций называется популяционными волнами, или волнами жизни. Они могут быть сезонными или несезонными.

Уравновешенное состояние популяции отвечает понятию емкости среды обитания – это возможность популяции обеспечивать нормальную жизнедеятельность определенному

Количеству особей популяции без заметных нарушений в окружающей среде.

Плотность популяции зависит от интенсивности действия климатических факторов. На изменение численности популяции влияют взаимодействия с популяциями других видов. Избежать перенаселения помогает расселение – явление, когда часть особей популяции мигрирует на незанятые территории или в другие популяции с низкой плотностью

Поддержание численности популяции на определенном уровне, оптимальном для данной среды обитания, называют гомеостазом популяции.