Методы изучения абиотических факторов. Влияние факторов на живой организм

Методы изучения абиотических факторов. Влияние факторов на живой организм

Понятие экологического фактора – одно из наиболее общих и чрезвычайно широких понятий экологии. Определение экологического фактора основано на таком естественнонаучном и всеобъемлющем представлении как среда.

Под средой в экологии понимают весь комплекс природных тел и явлений, с которыми организмы и экосистемы находятся в прямых или косвенных связях. Те элементы среды либо условия, которые для конкретных видов или их сообществ небезразличны и вызывают у них приспособительные реакции (адаптации), являются по отношению к организмам экологическими факторами. В процессе жизнедеятельности организмов осуществляется их функциональная связь с этими элементами среды.

Существует и более конкретное пространственное понимание среды как непосредственного окружения организмов – это среда обитания. Она включает в себя совокупность всех экологических факторов отдельного организма или биоценоза в целом. В земных условиях существует четыре типа среды обитания для живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная и тело другого организма, используемое паразитами и другими симбионтами.

Число всевозможных экологических факторов представляется потенциально неограниченным. В соответствии с этим с этим задача классификации экологических факторов оказалась весьма сложной, так что общепринятого варианта до сих пор не существует. В то же время достигнуто согласие относительно целесообразности использования при классификации экологических факторов определенных признаков. Прежде всего, экологические факторы делятся на внешние (экзогенные) и внутренние (эндогенные) по отношению к данной экосистеме. К внешним относят факторы, действие которых в той или иной степени определяют функционирование организмов и экосистем, но сами они практически не испытывают их обратного воздействия. Солнечная радиация, интенсивность атмосферных осадков, атмосферное давление, скорость ветра – относятся к данной категории. В отличие от них внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и ее компонентов, являясь структурной составляющей. Таковы численности и биомасса популяций, запасы различных веществ, характеристики водной и почвенной масс.

Второй, наиболее распространенный принцип классификации, заключается в подразделении всех факторов на абиотические (экологически значимые условия неорганической, или неживой, природы), биотические (разнообразные формы влияния на организмы со стороны окружающих его живых существ) и антропогенные (все формы деятельности человека, которые оказывают влияние на живую природу).

Особая роль для практики рационального природопользования принадлежит системе классификации основанной на законах сохранения. Факторы, характеризующие численность, биомассу, запасы или концентрации различных форм вещества и энергии, временные изменения которых подчиняются законам сохранения, относят к категории суммативных и называют ресурсами. Например, можно говорить о ресурсах тепла, влаги, органической и минеральной пищи и т. д. Такие факторы, как интенсивность и спектральный состав радиации, уровень шума, скорость ветра или течения, размер и форма пищи, также сильно влияют на организмы, но не относятся к категории ресурсов, так как к ним не применимы законы сохранения.

Фактор среды ощущается организмом лишь в определенных пределах, иными словами, реакция организма зависит от дозировки фактора. Диапазон действия, или зона толерантности, экологического фактора ограничен крайними пороговыми значениями, которые получили названия точек минимума и максимума данного фактора и при которых возможно существование организма. Между этими крайними пороговыми значениями находится точка оптимума, соответствующая наилучшим показателям жизнедеятельности организма. Определить оптимальное значение фактора с достаточной степенью точности не всегда возможно, в связи с этим принято определять зону оптимума, в которой организм находится в комфортных условиях. Условия среды, в которых какой-либо фактор выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии называют экстремальными. Вблизи критических точек лежат сублетальные значения (зоны пессимума), а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора.

Идея о том, что существование и выносливость организма определяются самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, впервые была высказана в 1840 году известным немецким химиком Ю. Либихом, сформулировавшим «закон минимума». Согласно этому закону величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего. Иными словами, данный элемент находится в минимальном количестве. По мере повышения его содержания урожай будет возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока не окажется в минимуме другое вещество. Фактор, находящийся в минимальном значении, будет ограничивать жизнедеятельность организма, т. е. является лимитирующим.

Лимитирующий фактор – фактор, уровень которого в качественном или количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости организма.

Позднее В. Шелфорд (1913) показал, что у каждого живого организма в отношении различных экологических факторов существуют пределы выносливости (толерантности), между которыми располагается его экологический оптимум. Присутствие или процветание организма в данном местообитании зависит от комплекса экологических факторов. По каждому фактору имеется диапазон толерантности, за пределами которого организм не способен существовать. Невозможность процветания или отсутствие организма определяется теми факторами, значения которых приближаются или выходят за пределы толерантности.

Для количественной характеристики воздействия экологических факторов на показатели жизнеспособности особей, такие, как скорость роста, развития, плодовитость, урожайность используется понятие функция отклика.

Функция отклика – это количественная зависимость показателя жизнедеятельности особей рассматриваемой популяции на изменение экологических факторов. Одна из основных задач факториальной экологии состоит в определении этих зависимостей, т. е. в идентификации функций отклика.

Первый шаг на пути решения этой задачи состоит в получении частной зависимости функции отклика от одного фактора-аргумента при фиксированных значениях других (методология однофакторного эксперимента). В типичных случаях график частной функции отклика на изменение фактора имеет форму выпуклой кривой, монотонно возрастающей от минимального значения фактора до максимума при оптимальных значениях фактора и монотонно убывающей, с приближением фактора к максимальному значению.

Задание 1. Изучить функцию отклика урожая культурных растений по схеме однофакторного эксперимента в зависимости от общего запаса азота в почве.

Для определения частной функции отклика урожая культурных растений от общего запаса азота в почве будем пользоваться формулой А. Митчерлиха:

, (1)

гдеА_max – максимальный генетически возможный урожай (ц/га);

‑ общий азот почвы равный сумме: азот почвы + азот удобрений (ц/га);

‑ коэффициент равный 0, 122 (ц/га);

‑ коэффициент равный 0,032 (ц/га).

Будем исходить из предпосылки, что в общем запасе азота, «азот почвы» величина постоянная, как и максимальный генетически возможный урожай (А_max).

Для вычисления оптимальной дозы азотных удобрений и построения графика частной функции отклика растений воспользуемся данными таблицы 1.1.

Таблица 1.1 – Варианты заданий для определения функции отклика сельскохозяйственной культуры на содержание азота в почве

Варианты	Культура	Аmах, ц/га	Азот почвы, ц/га
1	2	3	4
1	Пшеница	90	0,30
2	Ячмень	70	0,58
3	Овес	75	0,34
4	Просо	80	0,55
5	Кукуруза	150	0,27
6	Гречиха	50	0,38
7	Соя	60	0,68
8	Пшеница	95	0,70
9	Ячмень	75	0,50

Окончание таблицы 1.1

1	2	3	4
10	Овес	70	0,60
11	Просо	85	0,29
12	Кукуруза	140	0,25
13	Гречиха	55	0,52
14	Соя	65	0,62
15	Пшеница	100	0,54
16	Ячмень	65	0,26
17	Овес	70	0,31
18	Просо	80	0,64
19	Кукуруза	145	0,65
20	Гречиха	50	0,48
21	Соя	60	0,51
22	Пшеница	90	0,56
23	Ячмень	70	0,45
24	Овес	70	0,33
25	Просо	80	0,28
26	Гречиха	55	0,35
27	Кукуруза	155	0,40
28	Соя	65	0,46
29	Пшеница	95	0,66
30	Ячмень	75	0,42

Используя для расчетов формулу Митчерлиха и данные таблицы 1.1, выполните один из вариантов и заполните пустующие ячейки таблицы 1.2.

Таблица 1.2 – Соотношение урожайности культурных растений и содержания азота удобрений в почве

Уровень фактора «азот удобрений», ц/га	Ф(х) Функция отклика (урожайность), ц/га
0,2
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0

Задание 2. Постройте график зависимости относительной урожайности Ф_(х) от общей обеспеченности почвы азотом.

Задание 3. Определите оптимальную дозу азотных удобрений при данном уровне азота в почве. Запишите вывод.

Задание 4:

Какой из приведенных факторов можно считать лимитирующим (ограничивающим) для организмов в определенных условиях:

а) для травянистых растений в густом лесу: влага, свет, плодородие почвы, рН среды;

б) для темноокрашенных насекомых на меловом субстрате: наличие пищи, температура, влажность, рН среды;

в) для травянистых растений в горах на высоте более 6 км: влага, свет, температура, плодородие субстрата, концентрация углекислого газа;

г) для дождевых червей в песчаных субстратах: температура, влажность, содержание гумуса;

д) для рыб, зимующих в замерзающих водоемах: температура, наличие пищи, содержание кислорода в воде.

Именно от него и зависит в данный конкретный период выживание особей.

Задание 5: Проанализируйте график зависимости смертности яиц соснового шелкопряда Dendrolimus pini при разных сочетаниях температуры и влажности (рисунок 1).

Рисунок 1 – смертность яиц соснового шелкопряда Dendrolimus pini при разных сочетаниях температуры и влажности (из Чернова Н.М., Былова А.М., 2004).

1. Определите, какой фактор будет ограничивающим в точке с координатами:

а) влажность – 20%; температура – 25°С;

б) влажность – 80%; температура – 10°С;

в) влажность – 40%; температура – 30°С.

2. Назовите диапазон оптимальной для вида:

• температуры;

• влажности.

3. Назовите пределы выносливости вида:

• по температуре;

• по влажности.

4. Используя рисунок 1, подумайте и запишите, в каком из районов вероятность массового размножения соснового шелкопряда выше: в районе со средними летними температурами от 20 до 25°С и относительной влажностью 60—80% или в районе со средними летними температурами от 25 до 30°С и влажностью 30—40%. Обоснуйте свои выводы.

5. Используя рисунок 1, постройте два графика зависимости смертности куколок соснового шелкопряда Dendrolimus pini от действия температуры при относительной влажности 40% и 80%. Объясните, почему эти графики отличаются друг от друга:

6. Объясните, почему все графики зависимости численности (или смертности) от фактора среды будут иметь вид колоколообразной кривой: