Системы организмов на Земле

В настоящее время на Земле насчитывается более 2,2 млн. видов организмов. Систематика их все более усложняется, хо­тя основной ее «скелет» остается почти неизменным со време­ни ее создания выдающимся шведским ученым Карлом Лин­неем в середине XVII в.

Известно, что издавна органический мир делился на два царства — животных и растений. Однако в наше время его уже следует делить на две империи — доклеточных (вирусы и фаги) и клеточных (все остальные организмы). Империя доклеточ­ных состоит из единственного царства — вирусов (фаги тоже вирусы-паразиты). Империя клеточных состоит уже из двух подцарств (доядерные – бактерии и ядерные – животные растения и грибы).

Всю совокупность растительных организмов данной тер­ритории планеты любой детальности (региона, района и т.д.) называют флорой, а совокупность животных организмов — фауной.

Флора и фауна данной территории в совокупности состав­ляют биоту. Но эти термины имеют и гораздо более широкое применение. Например, говорят: флора цветковых растений, флора микроорганизмов (микрофлора), микрофлора почв и т. п. Аналогично используется термин «фауна»: фауна млекопитаю­щих, фауна птиц (орнитофауна), микрофауна и т. п. Термин «биота» используют, когда хотят оценить взаимодействие всех живых организмов и среды или, скажем, влияние «почвенной биоты» на процессы почвообразования и др.

Аутэкология (факториальная экология) Понятие вид. Критерии вида

Вид — основная структурная единица в системе живых орга­низмов, качественный этап их эволюции. Он представляет собой совокуп­ность особей, обладающих наследственным сходством морфологичес­ких, физиологических и биохимических особенностей, свободно скрещи­вающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к опреде­ленным условиям жизни, обладающих определенным типом взаимоотно­шений с абиотической (косной) и биотической (живой) средой и занимаю­щих в природе определенную область — ареал. Вид как совокупность по­пуляций особей отделяется от других таких же групп особей практически полной нескрещиваемостью в природных условиях.

Виды отличаются друг от друга многими признаками. Характерные для вида признаки и свойства называют критериями вида, среди которых различают морфологический, генетический, физиологический, геогра­фический и экологический.

Морфологический критерий базируется на сходстве внешнего и внут­реннего строения особей одного вида. Но особи в пределах вида иногда настолько изменчивы, что только по морфологическому критерию не всегда удается определить вид. Вместе с тем существуют виды, морфоло­гически сходные, однако особи таких видов не скрещиваются между собой.

Генетический критерий — это характерный для каждого вида набор хромосом, строго определенное их число, размеры и форма. Он является главным видовым признаком. Особи разных видов имеют разные наборы хромосом и поэтому они не могут скрещиваться, вследствие чего ограни­чены друг от друга в естественных условиях.

Физиологический критерий определяется по сходству всех процессов жизнедеятельности у особей одного вида, прежде всего по сходству раз­множения. Представители разных видов, как правило, не скрещиваются, или потомство их бесплодно. Нескрещиваемость видов объясняется раз­личиями в строении полового аппарата, сроках размножения и др. Одна­ко в природе есть виды, которые скрещиваются и дают плодовитое по­томство (некоторые виды канареек, зябликов, тополей, ив). Следователь­но, наличие только физиологического критерия недостаточно для опре­деления видовой принадлежности особей.

Географический критерий — это определенный ареал (территория, ак­ватория), занимаемый видом в природе. Он может быть большим или меньшим, прерывистым или сплошным. Есть виды, распространенные повсеместно и нередко в связи с деятельностью человека (многие виды со­рных растений, насекомых-вредителей). Географический критерий также не может быть решающим.

Экологический критерий — это совокупность факторов внешней среды, в которой существует вид. Например, лютик едкий распространен на лугах и полях, в более сырых местах растет лютик ползучий, а по бере­гам рек и прудов, на болотистых местах встречается лютик жгучий.

В процессе эволюции у каждого вида сформировались приспособле­ния к определенной среде обитания. Например, арктические птицы и мле­копитающие имеют белую окраску, приспособлены к жизни в условиях низких температур. Обитатели пустыни имеют желто-серую окраску и разнообразные приспособления к высоким температурам, к недостатку влаги. Подобные приспособления присущи всем особям вида, хотя могут иметь и различия в пределах большого ареала.

Для установления видовой принадлежности недостаточно использо­вать какой-нибудь один критерий. Только применение совокупности критериев с взаимным подтверждением различных признаков и свойств особей в их совокупности характеризуют вид. Вид является экологичес­кой единицей.

Среда обитания

Организм является начальной, основ­ной единицей обмена веществ. Именно с организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи, ее нельзя прервать ни на одном уровне. В связи с этим существует глубокая связь между орга­низмом и окружающей средой.

Среда — это комплекс природных тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях.

Имеет место и конкретное пространственное понимание термина - среда, как непосредственного окружения организма — среда обитания. К ней относят только те элементы среды, с которыми данный организм всту­пает в прямые или непрямые отношения, т.е. это все то, среди чего он живет.

В земных условиях живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий. Пер­вой по времени была водная среда, в которой возникла и распростра­нилась жизнь. В дальнейшем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, затем они создали и заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами организмы, тела которых использовались паразитами или симбионтами.

Влияние среды на организм. Организм, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависит от среды обитания. Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенно­стей, носит название адаптации.

Влияние живых организмов на среду. Организмы и сами способны существенно воздействовать на среду. Так, их жизнедеятельность силь­но влияет на газовый состав атмосферы. Это связано, в частности, с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу по­ступает кислород. Диоксид углерода, напротив, извлекается из ат­мосферного воздуха растениями и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов. В процессе разложения тел погибших организмов бактерии, грибы и животные участвуют в образовании почвы. Именно жизнедеятельность организмов опреде­ляет содержание растворенных органических соединений и минераль­ных солей в природных водах. Укажем, что организмы, меняя хими­ческий состав среды, воздействуют и на ее физические свойства.

Таким образом, организмы испытывают воздействие постоянно меняющихся условий среды, но и сами способны изменять эти условия.

Экологические факторы среды

Экологический фактор — это любое условие среды, способное ока­зывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития. В свою оче­редь, организм реагирует на экологический фактор специфическими приспособительными реакциями, т.е. адаптируется к ним.

Экологические факторы среды весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия, они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Знание типов экологических факторов и механизмов их действия помогает лучше понять взаимоотношения организмов между собой и окружающей средой. Это в свою очередь позволяет делать прогноз о развитие различных видов живых организмов, их популяций и отдельных экосистем в целом, что дает возможность целенаправленно влиять на их структуру и развитие в направлении их улучшения и сохранения. Экологические факторы подразделяют на абиотические, биотические и антропические (антропогенные).

Абиотические факторы — это все свойства неживой природы, пря­мо или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рель­еф местности и т.д.).

Среди абиотических факторов довольно часто выделяют кли­матические (температура, влажность воздуха, ветер и др.), гидрографические — факторы водной среды (вода, течение, со­леность и др.), эдафические – факторы почвенной среды (рН, плодородие, структура и др.), орографические – факторы рельефа (крутизна и экспозиция склонов).

Биотические факторы — это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реаль­ных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влия­ние других существ. Приведем примеры таких влияний.

Нейтрализм — оба вида независимы и не оказывают друг на друга никакого влияния.

Конкуренция (межвидовая) — особи или популяции в борьбе за пищу, местообитание и другие необходимые для жизни условия воздействуют друг на друга отрицательно. Конкурентные отношения являются важнейшим механизмом формирования видового состава сообщества, пространственного распределения видов и регуляции их численности. Именно поэтому они играют огромную роль в эволюционном развитии видов.

Мутуализм (симбиоз) — каждый из видов может жить, расти и размножаться только в присутствии другого. Характерным примером являются птицы склевывающие насекомых с тела животных.

Комменсализм — деятельность одного вида доставляет пишу или убежище другому (комменсалу). Комменсалы в то же время не при­носят используемому виду никакой выгоды или заметного вреда. Ком­менсалы есть у многих морских животных (например, мальки ставри­ды под колоколом медуз). Некоторые комменсалы живут в норах гры­зунов, гнездах птиц и т.п., используя их как местообитание с более стабильным и благоприятным микроклиматом.

Аменсализм — биотическое взаимодействие двух видов, при кото­ром один вид причиняет вред другому, не получая при этом для себя ощутимой пользы. Оно обычно наблюдается в растительном мире, когда, например, деревья затеняют и поэтому угнетают травянистую растительность под их кронами.

Паразитизм — один из видов живет за счет другого, находясь внутри или на поверхности его тела. При этом организм-паразит использует живого хозяина не только как источник пищи, но и как место посто­янного или временного обитания. Среди паразитов различают эндо­паразитов и эктопаразитов. Эндопаразиты живут в теле хозяина и питаются его тканями или содержимым пищеварительного тракта (па­разитические черви). Эктопаразиты обитают на коже хозяина и, об­ладая достаточной подвижностью, способны переходить от одного хозяина к другому (насекомые-кровососы).

Хищничество — широко распространенный тип биотических от­ношений в природе. С экологической точки зрения такие отношения между двумя видами благоприятны для одного (хищника) и небла­гоприятны для другого (жертвы).

Аллелопатия — химическое воздействие одних видов растений на другие при помощи своих продуктов метаболизма (эфирных масел, фитонцидов). Алле­лопатия чаще всего способствует вытеснению одного вида другим (на­пример, орех и дуб своими выделениями угнетают травянистую рас­тительность под кроной).

Антропогенные факторы — факторы, которые возникают в ходе непосредственного (прямого) и или опосредованного (косвенного) воздействия человека на окружающую среду.

Большинство факторов качественно и количественно изме­няются во времени. Например, климатические — в течение су­ток, сезона, по годам (температура, освещенность и др.).

Факторы, изменения, которых во времени повторяются ре­гулярно, называют периодическими. К ним относятся не толь­ко климатические, но и некоторые гидрографические — при­ливы и отливы, некоторые океанские течения. Факторы, воз­никающие неожиданно (извержение вулкана, нападение хищ­ника и т. п.) называются непериодическими.

Приспособление организмов к неблагоприятным условиям среды

Активный путь — это путь, способствующий усилению сопротив­ляемости, развитию регуляторных процессов, которые позволяют осуществить все жизненные функции организмов, несмотря на не­благоприятные факторы. Так, теплокровные животные — птицы и млекопитающие, обитая в условиях изменчивой температуры, под­держивают внутри себя постоянную температуру, которая оптималь­на для биохимических процессов в клетках тела. Вполне очевидно, что такое активное сопротивление влиянию внешней среды требует больших затрат энергии, которую им надо постоянно восполнять, а также специальных приспособлений во внешнем и внутреннем строе­нии организмов.

Пассивный путь связан с подчинением жизненных функций орга­низма изменению факторов среды. Так, при недостатке тепла это приводит к угнетению жизнедеятельности и понижению уровня мета­болизма, что способствует экономному использованию энергетичес­ких запасов.

При резком ухудшении условий среды организмы разных видов могут приостанавливать свою жизнедеятельность и переходить в состояние так называемой скрытой жизни. Например, некоторые мелкие орга­низмы могут полностью высыхать на воздухе, а затем возвращаться к активной жизни после пребывания в воде. Это состояние мнимой смер­ти называется анабиозом. Переход в состояние глубокого анабиоза, при котором практически полностью останавливается обмен веществ, существенно расширяет возможности выживания организмов в самых экстремальных условиях. Известно, что высушенные семена и споры растений, а также некоторые мелкие животные (коловратки, нематоды) способны выдержать температуры ниже -200 С.

Явление, при котором имеет место временный физиологический покой в индивидуальном развитии некоторых животных, растений, обусловленный неблагоприятными факторами внешней среды, на­зывается диапаузой.

Избегание неблагоприятных воздействий — это выработка орга­низмом таких жизненных циклов, при которых наиболее уязвимые стадии его развития завершаются в самые благоприятные по темпера­турным и другим условиям периоды года.

Обычный для животных путь приспособления к неблагоприятным периодам — миграция. Избегание, уход от действия крайних температур или недостатка влаги свойственен организмам в той или иной мере и при активном, и при пассивном пути адаптации к среде. Описанные пути приспособле­ния характерны и по отношению к другим экологическим факторам среды. Наиболее часто приспособление вида к среде осуществляется определенным сочетанием всех трех возможных путей адаптации.

Рассмотрим примеры адаптации к тем или иным факторам среды.

Морфологические адаптации. Это наличие таких особенностей внешнего строения, которые способствуют выживанию и успешной жизнедеятельности организмов в обычных для них условиях. Приме­ром подобных адаптации являются растения, обитающие в пустыне, они лишены листьев, и их строение наилучшим образом при­способлено к минимальным потерям влаги.

Морфологический тип приспособления животного или растения, при котором они имеют внешнюю форму, отражающую способ взаи­модействия со средой обитания, называют жизненной формой вида.

Физиологические адаптации проявляются, например, в особен­ностях ферментативного набора в пищеварительном тракте животных, определяемого составом пищи. Так, верблюд способен обеспечивать потребности во влаге путем биохимического окисления собственного жира.

Поведенческие адаптации проявляются в самых различных фор­мах. Примерами могут служить формы приспособительного поведе­ния животных, направленные на обеспечение нормального теплооб­мена с окружающей средой: создание убежищ, передвижение с це­лью выбора оптимальных температурных условий, особенно в условиях экстремальных (очень высоких или очень низких) температур. Изве­стны суточные и сезонные кочевки млекопитающих и птиц.

Понятие лимитирующего фактора

Впервые на значение лимитирующих факторов указал не­мецкий агрохимик Ю. Либих в середине XIX в. Он устано­вил закон минимума: урожай (продукция) зависит от фак­тора, находящегося в минимуме. Если в почве полезные ком­поненты в целом представляют собой уравновешенную систему и только какое-то вещество, например фосфор, содер­жится в количествах, близких к минимуму, то это может снизить урожай. Но оказалось, что даже те же самые мине­ральные вещества, очень полезные при оптимальном содер­жании их в почве, снижают урожай, если они в избытке. Значит, факторы могут быть лимитирующими, находясь и в максимуме.

Таким образом, лимитирующими экологическими фак­торами следует называть такие факторы, которые ограничива­ют развитие организмов из-за недостатка или их избытка по сравнению с потребностью (оптимальным содержанием). Их иногда называют ограничивающими факторами.

Что касается закона минимума Ю. Либиха, то он имеет ограниченное действие и только на уровне химических веществ. Р. Митчерлих показал, что урожай зависит от совокупного дей­ствия всех факторов жизни растений, включая температуру, влажность, освещенность и т. д.

Различия в совокупном и изолированном действиях отно­сятся и к другим факторам. Например, действие отрицатель­ных температур усиливается ветром и высокой влажностью воз­духа, но, с другой стороны, высокая влажность ослабляет дей­ствие высоких температур и т. д. Но, несмотря на взаимовлия­ние факторов, все-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В. Р. Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из фак­торов жизни не может быть заменен другим. Например, нель­зя действие влажности (воды) заменить действием углекисло­го газа или солнечного света и т. д.

Наиболее полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или ко­личественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ря­да факторов, уровень которых может оказаться близким к пре­делам переносимого данным организмом. Эти два предела на­зывают пределами толерантности.

Диапазон толерантности организма не остается постоян­ным — он, например, сужается, если какой-либо из факторов близок к какому-либо пределу, или при размножении организ­ма, когда многие факторы становятся лимитирующими. Зна­чит, и характер действия экологических факторов при опреде­ленных условиях может меняться, т. е. он может быть, а может и не быть лимитирующим. При этом нельзя забывать, что организмы и сами способны снизить лимитирующее действие факторов, создав, например, определенный микроклимат (мик­росреду). Здесь возникает своеобразная компенсация факторов, которая наиболее эффективна на уровне сообществ, реже — на видовом уровне.

Такая компенсация факторов обычно создает условия для физиологической акклиматизации организма, имеющего широкое распространение, который, акклиматизируясь в дан­ном конкретном месте, создает своеобразную популяцию, экотоп, пределы толерантности которой соответствуют местным условиям. При более глубоких адаптационных процессах здесь могут появиться и генетические расы.

Итак, в природных условиях организмы зависят от состояния критических физических факторов, от содержания необходимых веществ и диапазона толерантности самих организмов к этим и другим компонентам среды.