Экология

Экология – наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания.

Термин "экология" предложил Э. Геккель.

"Биосфера" – Э. Зюсс. "Биоценоз" – М. Мебиус.

"Биогеоценоз"– В. Н. Сукачев. "Экосистема" – А. Тенсли.

Основатель учения о биосфере – В. И. Вернадский.

Сформулировал закон пирамиды энергий – Р. Линдеман.

Разработал модель экологических пирамид – Ч. Элтон.

Методы экологии

Полевые наблюдения осуществляются в естественных условиях для характеристики экосистем, изучения видового состава организмов и их взаимосвязей.

Эксперименты в природных условиях. В отличие от наблюдений, исследователь следит за экосистемой, в которой им сознательно произведены определенные изменения.

Моделирование. Создаются биологические и математические модели, описывающие структуру и функционирование экосистем. Позволяет прогнозировать процессы и ситуации, возникающие в экосистемах.

Объекты экологии:

1. Популяции. 2. Сообщества (биоценозы). 3. Экосистемы (биогеоценозы). 4. Биосфера.

Среда обитания – все условия живой и неживой природы, окружающие организм, с которыми он находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Живые организмы освоили четыре среды обитания: водную, наземную (воздушную), почвенную и тело другого организма (паразиты).

Экологические факторы – отдельные элементы среды обитания, которые оказывают влияние на организмы, популяции и природные сообщества.

Классификация экологических факторов

1. Абиотические факторы – это элементы неживой природы, окружающие организм и влияющие на него. Совокупность этих факторов образует абиотическую среду. К ним относят:

- климатические, или физические (свет, температура, влажность, давление);

- почвенно-грунтовые, или эдафические (механическая структура почвы, минеральный состав почвы);

- топографические, или орографические (особенности рельефа местности);

- химические (соленость воды, рН воды и почвы, газовый состав воды и воздуха).

2. Биотические факторы – это разнообразные формы взаимодействия живых организмов друг с другом.

3. Антропогенные факторы – это все формы деятельности человека, которые приводят к изменениям природы как среды обитания других видов и оказывают влияние на их жизнь (загрязнение окружающей среды отходами промышленности, охота, вырубка лесов и др.).

Закономерности действия экологических факторов на организм

Экологические факторы воздействуют на организмы по-разному:

- раздражители – вызывают приспособительные изменения функций организмов;

- ограничители – обусловливают невозможность существования в определенных условиях;

- модификаторы – приводят к структурно-функциональным изменениям в организмах.

Закон оптимума. Биологический оптимум – наиболее благоприятная для организма интенсивность фактора. Отклонение от биологического оптимума составляет зоны угнетения. Диапазон действия фактора ограничен точками минимума и максимума и составляет пределы выносливости организма, обусловливающей его толерантность.

Толерантность – способность организмов выносить отклонения экологического фактора от оптимальных для себя значений. Экологическая валентность – способность организма заселять разнообразные среды обитания.

Эврибионты – организмы, способные выдерживать значительные отклонения от оптимума (с широкими пределами выносливости). Карась способен существовать в различных водоемах. Эврибионты – это виды организмов с широкой валентностью.

Стенобионты - организмы, способные обитать только в условиях устойчивого постоянства какого-либо фактора среды (с узкими пределами выносливости). Стенобионты – это виды организмов с узкой валентностью. Например: форель обитает только в водоемах с высоким содержанием кислорода.

Интенсивность фактора

Рис.48. Схема действия экологического фактора на жизнедеятельность организмов:

1 – точка минимума, 2 – точка оптимума, 3 – точка максимума;

I – зона пессимума; II – зона нормы; III – зона оптимума.

Схема действия фактора на организм

На схеме по оси абсцисс отложена интенсивность фактора (например, температура, освещенность и т. д.), а по оси ординат – реакция организма на воздействие фактора в его количественном выражении (например, скорость фотосинтеза, скорость роста).

Диапазон действия экологического фактора ограничен соответствующими крайними значениями (точки минимума и максимума), при которых еще возможно существование организма. Эти точки называются нижним и верхним пределами выносливости (толерантности) живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Точка 2 на оси абсцисс – это точка оптимума (наиболее благоприятная для организма величина фактора). Определить оптимальное значение фактора трудно, поэтому принято говорить о зоне оптимума. Крайние участки кривой, выражающие состояние угнетения организмов при резком недостатке или избытке фактора, называют областями пессимума (стресса). За пределами зоны выживания лежат летальные величины фактора.

Для каждого вида растений и животных существуют свой оптимум, зона нормальной жизнедеятельности и пределы выносливости по отношению к каждому фактору среды.

Способность организмов адаптироваться к определенному диапазону изменчивости факторов среды называют экологической пластичностью. Эврибионты являются более пластичными, что обеспечивает их широкое распространение, а стенобионты отличаются низкой экологической пластичностью и имеют ограниченные ареалы распространения.

Взаимодействие факторов. Экологические факторы воздействуют на живой организм одновременно и совместно. При этом действие одного фактора зависит от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Эта закономерность получила название взаимодействие факторов. При этом оптимум и пределы выносливости к определенному фактору могут изменяться под воздействием другого фактора (жара легче переносится в сухом воздухе, чем во влажном; замерзаешь быстрее при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду). В некоторых случаях недостаток одного фактора частично компенсируется усилением другого. Явление частичной взаимозаменяемости действия экологических факторов называется эффектом компенсации.

Правило ограничивающих факторов. Ни один из необходимых организму экологических факторов не может быть полностью заменен другим. Отсутствие света делает жизнь растений невозможной, несмотря на благоприятные сочетания других условий. Поэтому если значение хотя бы одного из жизненно необходимых экологических факторов приближается к критической величине или выходит за ее пределы (ниже минимума или выше максимума), то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Такие факторы называются ограничивающими (лимитирующими).

Ограничивающий (лимитирующий) – фактор среды, значения которого выходят за пределы выносливости организма, что делает невозможным его существование в данных условиях. Распространение организмов в Арктике ограничивается недостатком тепла, в пустынях – недостатком влаги. Ограничивающие факторы определяют ареалы видов.

Независимое приспособление к действию факторов

К каждому из действующих факторов организмы приспосабливаются относительно независимым путем. Степень выносливости к какому-либо фактору не означает соответствующей выносливости к действию остальных факторов.

Влияние основных абиотических факторов на живые организмы

Солнечный свет – основной источник энергии для фотосинтеза, поддержания теплового баланса, условие ориентировки в пространстве. Спектр солнечного света:

- Ультрафиолетовые лучи, их длина менее 400 нм. Короткие УФ-лучи (менее 290 нм) губительны для всего живого и задерживаются озоновым экраном; УФ-лучи (290–400 нм) используется животными для синтеза витамина Д, вызывают образование загара, оказывают бактерицидное действие.

- Видимый спектр – длина 400-700 нм. Видимый свет – источник энергии при фотосинтезе. Обеспечивает ориентацию у животных.

- Инфракрасные лучи – длина более 700 нм. Инфракрасные лучи вызывают нагревание организмов, усиливают теплообмен и транспирацию.

Растения по отношению к свету подразделены на три экологические группы:

1. Светолюбивые (гелиофиты). Это растения открытых, хорошо освещенных местообитаний.

(степные и луговые травы, культурные растения, сорняки).

2. Тенелюбивые. Для них приемлемы области слабой освещенности. К ним относятся растения нижних ярусов хвойных и широколиственных лесов (копытень, ветреница, чистотел, кислица, майник двулистный).

3. Теневыносливые. Теневыносливые растения лучше растут при полной освещенности, но хорошо адаптируются и к слабому свету. К ним относится большинство видов зоны смешанных лесов – ель, граб, лещина, бузина, брусника, ландыш.

Животных по отношению к свету делят на дневных, сумеречных и ночных.

Свет обусловливает фотопериодизм.

Фотопериодизм – реакции организмов на суточный ритм освещения, проявляющиеся в изменении интенсивности и характера физиологических процессов.

Примеры фотопериодизма:

- растения реагируют ростом и сменой фаз развития (распускание почек, цветение, плодоношение, листопад и т.п.);

- животные реагируют сезонными явлениями (прилеты и отлеты птиц, гнездование, половая активность, периодичность размножения, линька птиц и зверей, впадение в спячку и т. п.).

Удлинением светового дня за счет искусственного освещения зимой у кур можно увеличить период яйценоскости, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах.

По типу фотопериодической реакции различают следующие группы растений:

1. Растения короткого дня, которым для перехода к цветению требуется менее 12 ч светлого времени в сутки (георгин, конопля, капуста, хризантемы, табак, рис). Растения короткого дня произрастают преимущественно в южных широтах.

2. Растения длинного дня; для цветения им нужна продолжительность светового периода более 12 ч в сутки (ячмень, пшеница, лен, лук, картофель, овес, морковь). Растения длинного дня произрастают преимущественно в северных широтах.

3. Фотопериодически нейтральные; для них длина фотопериода безразлична, и цветение наступает при любой длине дня (виноград, томаты, одуванчики, гречиха, флоксы и др.).

На основе фотопериодизма у организмов выработались биологические ритмы (биоритмы) – периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений.

Биоритмы бывают: годичные (распускание почек, линька), лунные (менструальный цикл у человека), суточные или циркадные (открывание и закрывание устьиц на листьях, чередовании сна и бодрствования у животных).

Тепло в жизни организмов

Температура на поверхности Земли подвержена резко выраженным суточным и сезонным колебаниям. В зависимости от обеспеченности тепловой энергией симметричных участков обоих полушарий, начиная с экватора, различают климатические зоны – тропическую, субтропическую, умеренную, холодную.

Температура влияет на скорость и характер протекания реакций метаболизма в организмах. У большинства организмов жизнедеятельность осуществляется в пределах от 0° до +50°С. Однако ряд организмов приспособлен к активному существованию при температурах, выходящих за указанные пределы. Среди этих организмов выделяют:

Термофилы – орга­низмы, приспособленные к обитанию в условиях постоянно высоких температур (многие насекомые засушливых зон, бактерии го­рячих источников).

Криофилы – организмы, приспособленные к жизни в хо­лодных условиях. Они живут в талых водах, на поверхности льда или снега (некоторые виды одноклеточных водорослей, червей, насе­комых, лишайников и мхов).

По способности поддерживать постоянную температуру тела организмы делят на:

Пойкилотермные (эктотермные или холоднокровные) - животные с непостоянной темпе­ратурой тела, обусловленной температурой окружающей среды (все беспозвоночные животные, рыбы, земноводные и пресмыкающие­ся).

Гомойотермные (эндотермные или теплокровные) организмы – животные с постоянной температу­рой тела, почти не зависящей от температуры окружающей среды (к ним относятся только птицы и млекопитающие).

Гетеротермия – частный случай гомойотермии – свойственна животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку (суслики, ежи, летучие мыши, сони и др.). В активном состоянии они поддерживают высокую температуру тела, а в случае низкой активности организма – пониженную, что сопровождается замедлением процессов обмена.

Пути температурных адаптаций животных:

- химическая терморегуляция (усиление образование тепла в ответ на понижение температуры среды);

- физическая терморегуляция (изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или, наоборот, рассеивать его избыток) – мех, перьевой покров, подкожная жировая клетчатка, потоотделение;

- поведенческая терморегуляция (избегание неблагоприятных температур путем перемещений в пространстве).

Вода в жизни организмов

Влажность, наличие влаги – необходимое условие существования всех живых организмов. Все живые организмы на 80% состоят из воды.

Различают:

– Аридные (сухие) зоны – территории, на которых количество испаря­емой влаги превышает количество осадков.

– Гумидные (влажные) зоны – климатичес­кие зоны с избыточным увлажнением, когда количество осадков превышает количество испаряемой воды.

Среди растений различают:

Гидатофиты (водные растения: ряска, элодея, рдест и др.).

Гидрофиты (наземно-водные: тростник, вахта, калужница и др.).

Гигрофиты (обитатели влажных мест на суше); это растения избыточно увлажненных местообитаний с высокой влажностью воздуха и почвы (чистотел большой, недотрога обыкновенная, кислица обыкновенная, калужница болотная, рогоз, камыш, тростник, осока).

Мезофиты (развивающиеся в нормальных условиях влажности); это большинство растений умеренной зоны; занимают промежуточное положение между ксе­рофитами и гидрофитами.

Ксерофиты (обитатели засушливых мест). Это ра­стения пустынь, сухих степей, саванн, песчаных дюн, приспособленные к жизни в местах дефицитом влаги.

Ксерофиты подразделяются на склерофиты и суккуленты.

Склерофиты – растения с длинным корнем, с мелкими листьями, с толстой кутикулой, с большим количеством механических тканей, поэтому даже при большой потере воды листья не теряют упругости. Примеры: верблюжья колючка, джузгун.

Суккуленты – растения с сочными мясистыми листьями или стеблями, содержащими водоносную ткань. Длительные засушливые периоды преодолеваются ими путем накопления воды в водоносных тканях и экономного расходования, которое обеспечивается защитой эпидермиса растений восковым налетом, погруженными в ткань листа малочисленными устьицами, которые днем закрыты. Различают листовые суккуленты (агава, алоэ, молодило, очиток) и стеблевые, у которых листья редуцированы, а надземные части представлены мясистыми стеблями (кактусы, некоторые молочаи, и др.). Корневая система поверхностная, рассчитана на поглощение воды из верхних слоев почвы после редких дождей.

Адаптации животных к водному режиму.

Поведенческие – поиски водоемов, выбор мест обитания, рытье нор.

Морфологические – образования, способствующие задержанию воды в теле; это раковины наземных моллюсков, отсутствие кожных желез и ороговение покровов пресмыкающихся, хитинизированная кутикула насекомых.

Физиологические –

1) способность ряда видов к образованию метаболической воды и довольствованию влагой, поступающей с пищей (мелкие пустынные грызуны);

2) способность к экономии влаги в пищеварительном тракте за счет всасывания воды стенками кишечника, а также образования высококонцентрированной мочи (овцы);

3) развитие выносливости к обезвоживанию организма благодаря особенностям кровеносной системы, эффективной терморегуляции потоотделением и отдачей воды со слизистых оболочек ротовой полости (верблюды, овцы, собаки).

Организмы, проживающие в воде, называются гидробионтами. Выделяют следующие группы гидробионтов:

- Планктон – микроскопические организмы, переносимые течениями. Различают фитопланктон и зоопланктон.

- Нектон – активно плавающие организмы. Рыбы, головоногие моллюски, дельфины.

- Бентос – организмы, заселяющие донную область водоемов. Раки, моллюски, камбала, многоклеточные водоросли.