7.Законы Коммонера.

Зачастую хозяйственная деятельность человека, связана с потреблением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды промышленными, сельскохозяйственными или коммунально-бытовыми отходами. Таким образом, человек, удовлетворяя свои потребности, сам ухудшает качество жизни. Американский эколог Б.Коммонер сформулировал четыре закона, которыми желательно руководствоваться человеку в его отношениях с природой.

1. «Все связано со всем» - закон отражает системность, связность всех природных явлений. Изменение одного из компонентов биосистемы вызывает нарушение ее равновесия, изменяя другие компоненты. Нерациональное осушение болот вызывает обмеление рек, эрозию почвы и т.д.

2. «Все должно куда-то деваться» - в основе его – закон сохранения вещества и энергии. При возрастании потребления природных ресурсов увеличиваются и отходы, загрязняющие окружающую среду. Абсолютно безотходное производство невозможно, как невозможен вечный двигатель. Промышленные выбросы, рассеянные в атмосфере благодаря высоким трубам, все равно возвращаются на землю. Захороненные в океане радиоактивные отходы также никуда не исчезают.

3. «Природа знает лучше» - этот закон ориентирует на согласованность действий человека и природы. Природа – сложный механизм, отрегулированный тысячелетиями эволюции, в природе все разумно. Мы должны использовать знания о природных закономерностях, а не стремиться переделать природу.

4. «Ничто не дается даром» или за все надо платить. Дешевому природопользованию не должно быть места. Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов невозможны без определенных экономических затрат. Получение сиюминутных выгод может повлечь за собой огромные затраты на восстановление нарушенного равновесия в природе (например, вырубка леса, загрязнение водоемов).

Тема 2. Общая экология

1. Экология организмов

2. Экология популяций

3. Экология экосистем и сообществ

1. Экология организмов

Экология организмов или аутэкология - это раздел общей экологии изучающий отдельный организм и его окружающую среду. Термин «аутэкология» был предложен швейцарским ботаником Шретером К. в 1896 г для обозначения экологии особей.

Одним из основополагающих в аутэкологии является понятие окружающая среда.

Окружающая среда – это все, что окружает организм и прямо или косвенно влияет на его состояние и функционирование.

Это вся природная среда, которая возникла на Земле вне зависимости от человека и унаследованная им от предшествующих поколений и техногенная среда (техносфера), созданная человеком.

Среда, обеспечивающая возможность жизни на Земле, очень разнообразна. На планете можно выделить четыре качественно отличные среды жизни:

1. Водную

2. Наземно-воздушную

3. Почвенную

4. Организменную

Сами среды жизни также чрезвычайно разнообразны. Водная среда может быть пресной и соленой, стоячей или текущей. В этом случае говорят о среде обитания.

Природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях, называют средой обитания. Часто между понятиями среда жизни и среда обитания не делают различий.

В свою очередь в среде обитания различают местообитания. Так, в водной среде жизни в среде обитания озере можно выделить несколько местообитаний: толща воды, поверхностные или донные слои.

Местообитание – это пространственно ограниченная часть суши или водоема, совокупность абиотических и биотических условий, определяющих весь жизненный цикл развития организма или популяции в целом.

Экологические факторы

Элементы среды, воздействующие на живой организм, называются экологическими факторами.

Экологический фактор – это любой элемент среды, способный оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития.

Экологические факторы имеют различную природу и специфику действия, в связи с чем их принято делить на три основные группы:

1. Абиотические (физико-химические) - факторы неживой природы. К ним относятся: климатические (свет, температура, влага, ветер, солевой состав воды и т.д.), эдафические (почвенно-грунтовые) и орографические (условия рельефа) факторы.

2. Биотические факторы – это воздействие одних организмов или их сообществ на другие. Формы взаимодействий разнообразны: это хищничество, конкуренция, симбиоз, паразитизм и т.д.

3. Антропогенныефакторы – это влияние деятельности человека на живые организмы или среду их обитания. К антропогенным факторам относятся воздействие с.-х. производства, промышленности, транспорта и других форм ведения хозяйства. Воздействие человека на биосферу может быть целенаправленным и разумным, а может быть вредным и разрушительным. В любом случае это воздействие стало мощной геологической силой и оно неизбежно возрастает.

Действие факторов любой природы может быть прямым (действие на организм) или косвенным (действие на среду обитания организмов). Например, прямое антропогенное воздействие – охота, промысел. Косвенное – осушение болот, изменение среды обитания болотного биоценоза.

Экологическая валентность

В природе невозможно найти животное или растение, которое могло бы переносить все условия, существующие на Земле. Каждый организм живет в относительно узком диапазоне температур, величин влажности, содержания кислорода и других параметров среды.

Для организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного, оптимального значения фактора.

Рассмотрим зависимость скорости роста растений от температуры при одинаковых других параметрах среды.

Эта зависимость будет иметь вид куполообразной кривой: по мере повышения температуры до некоторой величины скорость роста возрастает, достигая максимального значения, а затем снижается. Весь диапазон температур, при которых возможен рост, ограничен двумя пороговыми точками – минимальной и максимальной величиной температур, за пределами которых растения гибнут. Эти точки соответствуют нижнему и верхнему пределам выносливости. Диапазон температур, которым соответствует наибольшая скорость роста растений, называют зоной оптимума. Недостаток или избыток тепла одинаково снижают рост растений, эти диапазоны температур называют зонами пессимума (угнетения). Пороговые значения температур, вызывающие гибель растений, называют верхним и нижним пределом выносливости, а диапазон значений фактора между ними – экологической валентностью(синонимы термина – пластичность, толерантность).

Приведенная зависимость интенсивности жизнедеятельности организма от дозы воздействия наблюдается для различных экологических факторов.

Экологическая валентность– это способность организмов адаптироваться к тому или иному диапазону колебаний фактора среды.

Пределы выносливости различных организмов различны. Одни могут жить в широком диапазоне изменчивости условий среды, эти организмы называют эврибионтами(от греч.eurys– широкий). Для существования других организмов необходимы строго определенные, относительно постоянные условия внешней среды. Такие организмы называютстенобионтами(отstenos– узкий). В стабильных по свойствам средах обитания, например, в водной или почвенной, больше стенобионтов, в наземно-воздушной среде, которая является самой динамичной, больше шансов на выживание имеют эврибионты. Экологическая валентность у теплокровных животных обычно шире, чем у холоднокровных. Кроме того, адаптационные возможности организма зависят от его возраста: в то время как особи среднего возраста являются эврибионтами, на ранних и поздних стадиях онтогенеза у них возможно проявление стенобионтности.

Американский эколог Одум сформулировал в 1972 г несколько положений в отношении экологической валентности (толерантности) организмов.

1. Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий – в отношении другого.

2. Организмы с широким диапазоном толерантности ко всем экологическим факторам обычно широко распространены.

3. Если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для вида, то диапазон толерантности может сузиться по отношению к другим экологическим факторам.

Закон совокупного действия факторов (правило взаимодействия факторов)

Разные виды экологических факторов действуют на организм одновременно и совместно. При этом действие одного фактора зависит от того, с какой силой и в каком сочетании действует другой фактор. Одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, жара и мороз легче переносятся при низкой влажности воздуха.

0. Закон компенсации факторов

Недостаток света для растений может в некоторой степени компенсироваться повышенным содержанием в воздухе углекислого газа. Увядание растений можно приостановить, повышая влажность почвы, но также и понижая температуру воздуха. Однако следует отметить, что ни один необходимый организму фактор не может быть полностью заменен другим. Так, отсутствие света делает невозможной жизнь растений, несмотря на самое благоприятное сочетание других условий.

В сельскохозяйственной практике важно знать закономерности взаимодействия экологических факторов, чтобы обеспечить оптимальные условия для культурных растений и домашних животных.

0. Закон лимитирующего фактора

Фактор, величина которого оказывается близкой или выходит за пределы выносливости (ниже минимума или выше максимума), называется лимитирующим.

Закон лимитирующего факторабыл сформулирован впервые в 1840 годуЮ.Либихом:

От вещества с минимальной концентрацией зависит рост растений, величина и устойчивость урожайности.

Урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах (углерод, кислород, водород…), так как эти вещества присутствуют в изобилии, а теми, которые необходимы в малых количествах и которых в почве недостаточно (микроэлементы).

Поэтому, если значение хотя бы одного из необходимых экологических факторов приближается или выходит за пределы пороговых величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, организмы находятся в угнетенном состоянии или им грозит гибель. Изменить ситуацию можно, лишь воздействуя на лимитирующий фактор.

Современная трактовка закона Либихазвучит так:

В комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок к пределу выносливости.

0. Закон толерантности Шелфорда

Поскольку существуют верхний и нижний пределы выносливости, то лимитирующим фактором может быть как недостаток, так и избыток экологического воздействия. Представления о лимитирующем влиянии максимума наряду с минимумом развил Шелфорд в 1913 г и сформулировал его как закон толерантности:

Лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величину толерантности (выносливости) организма к данному фактору.

Закон относительности действия лимитирующего фактора Лундегарда-Полетаева

Форма кривой роста численности популяции (ее биомасса) зависит не только от одного вещества с минимальной концентрацией, но и от концентрации других веществ, имеющихся в среде. Другими словами, состояние организма не определяется на 100 % только лимитирующим фактором, другие факторы, действующие на него также имеют значение.

Закон неоднозначного (селективного) действия факторов

Любой экологический фактор по-разному влияет на функции организма: оптимум для одного процесса может не являться оптимумом для другого. Например, существуют оптимальные температуры для прорастания семян, цветения, созревания и т.д.

Температура как экологический фактор

Температура является одним из наиболее важных экологических факторов, определяющим существование, развитие и распределение организмов по земному шару. Важно не только абсолютное количество тепла, но и распределение его по сезонам, т.е. тепловой режим.

У растений для защиты от неблагоприятного воздействия температур имеются следующие механизмы:

1. анатомо-морфологические – внешние механизмы.

Наблюдается уменьшение площади листовой пластинки или видоизменение листьев в колючки, листья часто имеют белесое опушение (кактус, акация песчаная, лох узколистный…)

2) физиологические – внутренние механизмы

Связаны с изменением интенсивности транспирации, накоплением в клетках солей (позволяет снизить температуру замерзания клеточного сока).

Животных в зависимости от вида теплообмена разделяют на 3 группы:

1. пойкилотермные (от греч.poikilos– разнообразный),холоднокровные – животные с неустойчивым уровнем обмена веществ, непостоянной температурой тела и почти полным отсутствием механизмов терморегуляции. Температура их тела изменяется с изменением температуры окружающей среды (беспозвоночные, рыбы, амфибии, пресмыкающиеся). Среди холоднокровных животных встречаются стенотермные и эвритермные виды.

2. гомойотермные (от греч.homoios– одинаковый),теплокровные – животные с высоким и устойчивым уровнем обмена веществ, в процессе которого осуществляется терморегуляция и обеспечивается постоянная температура тела (птицы, млекопитающие).

Механизмы терморегуляциибывают:

• внешние, физические– теплоизолирующие покровы (шерсть, перья, жировой слой), деятельность потовых желез, испарение влаги при дыхании, сосудистая регуляция кровообращения

• внутренние, химические– изменение интенсивности протекания реакций в организме, осуществляется рефлекторным путем:

изменение температуры окружающей среды → рецептор → сигнал в ЦНС → импульс → механизмы, регулирующие процесс терморегуляции

У теплокровных животных интенсивность метаболизма обратно пропорциональна внешней температуре, у холоднокровных – обратно пропорциональна.

3. гетеротермные – животные, у которых в активном состоянии температура относительно высокая и постоянная, в неактивном (в состоянии спячки или глубокого сна) мало отличается от внешней температуры из-за заметного снижения уровня обмена веществ (еж, суслик, медведь, стриж, утконос, кенгуру, ехидна…).

Для защиты организма от неблагоприятных температур в мире животных наблюдаются определенные морфологические адаптации.

Правило Бергманна (1847):в пределах вида или однородной группы близких видов теплокровные организмы с более крупными размерами тела распространены в более холодных районах, т.к. у них больше относительная поверхность тела и, соответственно, больше теплоотдача.

Мелким животным труднее поддерживать постоянную температуру тела в холодных районах, т.к. у них больше относительная поверхность тела. У холоднокровных наблюдается обратная закономерность: в условиях жаркого климата обитают более крупные животные.

Правило Аллена (1877):У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела (ушей, хвостов…). Это также связано с терморегуляцией и необходимостью снижения площади тела и теплоотдачи.

Виды приспособлений живых организмов к неблагоприятным факторам среды --адаптации

У растенийразличают 3 вида покоя:

1. Органический. Наступает после уборки, характеризуется изменениями в нуклеиновом и белковом обмене. Фаза органического покоя необходима для весеннего восстановления физиологической активности. Органический покой характерен для клубней, плодов, почек.

2. Глубокий. Наступает одновременно или после органического покоя, обеспечивает морозоустойчивость растений. Степень глубины покоя зависит от вида растений и характера осенней погоды.

3. Вынужденный.Растения могут находиться в состоянии вынужденного покоя, долго не приступая к росту из-за неблагоприятных погодных условий. Часто наблюдается весной, когда задерживается возобновление вегетации озимых или прорастание семян.

Глубокий покой растений иногда называют анабиозом, но это не одно и то же.

Анабиоз – состояние замедления всех жизненных процессов при отсутствии видимых признаков жизни. Состояние это характерно для семян, спор, простейших, лишайников, коловраток, круглых червей, некоторых членистоногих. В состоянии анабиоза организмы могут переносить температуры до минус 180 С и ниже. Условием перехода в анабиоз является исключение воды из биохимических реакций в клетке. Это возможно путем:

1. высушивания до минимального остаточного содержания

2. глубокого охлаждения и перевода в лед

3. сочетания первого и второго

В любом случае необходимо, чтобы сохранялась целостность живых структур – не должны происходить чрезмерная деформация, механические или химические изменения. Охлаждение должно быть быстрым, чтобы не успевали образовываться центры кристаллизации в клетках (кристаллы разрушают клетки). В этом случае вода превращается в стекловидную массу.

Практическое значение анабиоза. Наблюдая за состоянием анабиоза в природе, человек научился переводить искусственно живые клетки и ткани в состояние анабиоза путем дезактивации воды. Замораживание крови, спермы и т.д. – криоконсервация. Хранение семян возможно длительное время только после высушивания. Некоторые семена могут храниться и сохранять всхожесть тысячи лет (результаты раскопок).

Спячка –замедление процессов метаболизма, снижение уровня обмена веществ при неблагоприятных температурах (низких и высоких). У медведя уровень обмена веществ снижается в 20 раз, снижается также потребление кислорода. Спячка может быть зимней, летней. У некоторых животных снижение интенсивности обмена веществ невелико (могут рождаться детеныши). Наблюдается у беспозвоночных, земноводных, пресмыкающихся, млекопитающих.

Диапауза –состояние временного понижения физиологической активности, приостановки развития у насекомых, носящее приспособительный характер.

Диапауза наступает часто без видимой связи с факторами среды, до наступления неблагоприятных условий.Возникает в ответ на сокращение длины светового дня. Может наступать на разных стадиях развития: у саранчи – яйцо, у колорадского жука – взрослое насекомое, у многих бабочек – куколки.

Миграции –перемещение животных в определенных направлениях, выработанное в процессе эволюции. Часто могут быть связаны с сезонными неблагоприятными изменениями условий существования. Расстояние перелетов может быть различным – от 400 км у дрозда до 13 000 км у полярной крачки. Из РБ многие виды птиц, летучих мышей улетают на зиму в Австрию, Венгрию, Болгарию.