Лекции по экологии

особенно мелких (короеды, улитки, жуки-могильщики и т.п.) существенно ускоряет процесс разложения. Процесс разложения довольно сложен и детально отлажен. Ни один вид сапротрофов не может самостоятельно осуществить разложение отмерших остатков. Полное разрушение осуществляется целым комплексом разрушителей, которые последовательно сменяют друг друга, подготавливая среду друг для друга.

Функции сапротрофов (грибы и бактерии): 1)Осуществляют минерализацию органических вещестьв;

2)Они могут служить пищей для некоторых организмов (например, грибы, собираемые человеком в лесу);

3)Быстро приспосабливаются к меняющимся условиям и поддерживают стабильность экосистем;

4) они выделяют в окружающую среду некоторые вещества (энзимы), оказывающие управляющее действие на всю экосистему, стимулируя или подавляя активность отдельных подсистем. Это в первую очередь «гормоны среды» , например пенициллин, выделяемый плесневым грибом, подавляющий деятельность бактерий, а также разного рода витамины, стимулирующие их рост.

В процессе разложения можно выделить три стадии:

размельчение детрита, сопровождающееся высвобождением растворимого органического вещества;

сравнительно быстрое образование гумуса и высвобождение сапротрофами дополнительного количества растворимых органических веществ:

более медленная минерализация гумуса.

Гумус с химической точки зрения представляет собой комплекс продуктов конденсации ароматических соединений (фенолов) с продуктами распада белков и полисахаридов. Детрит (продукты распада отмершей органики),

гумус и другой органический материал играют важную роль при образовании почв. Они придают почве структуру, благоприятную для роста растений, облегчают усвоение растениями питательных веществ.

Все это позволяет рассматривать почву со всеми населяющими ее микро- и макроорганизмами, как единое биологическое тело, то есть живое существо.

Для биосферы важное значение имеет некоторое отставание разложения продукции автотрофного уровня от процессов ее создания, благодаря чему стабилизируется круговорот биогенных веществ и состав атмосферы (соотношение СО2 и О2), а также происходит накопление горючих ископаемых. Поэтому крайнюю озабоченность вызывает деятельность людей, которые ускоряют процессы разложения сжигая горючие ископаемые, разрушая структуру почвы, уничтожая леса. В результате количество углекислого газа в атмосфере неуклонно возрастает, что заставляет нас беспокоиться по поводу грозящего планете потепления. В отличие от колебаний средней температуры планеты в прошлые эпохи, это потепление развивается стремительными темпами. Мы уже подняли среднюю температуру планеты где-то на 2 градуса по сравнению с до индустриальной эпохой. Еще на 2 градуса выше температура будет уже в 2050 году, если к тому времени цивилизация еще будет

72

существовать в современном виде. Этот процесс рушит многие механизмы устойчивости экосистем. Невооруженным глазом видно, как природа уступает стремительному натиску человека. Сможем ли мы сами выжить в стерильном мире? Конечно же, нет.

Может быть, поэтому природа активизирует против нас мир сапротрофов, поражая нас все новыми болезнями. Ведь сапротрофы пожирают не только отмершие организмы, но и ослабленные. А ослабление наших организмов вызвано тем образом жизни, который дисгармонирует с природой. Микроорганизмы очень динамичны и чувствительны к малейшим изменениям среды, а может, и к изменениям биополя планеты, выполняя роль гормонов, управляющих всеми процессами в биосфере. В определенном смысле именно они являются “царями природы”, корректируя численности популяций макроорганизмов. Не это ли “голос планеты”, все более дающий о себе знать в ответ на наше давление на нее?

9.5 Три принципа функционирования экосистем

На основании того, что было рассмотрено можно дать формулировку трех принципов функционирования экосистем.

1.Получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.

2.Экосистемы существуют за счет не загрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой постоянно и избыточно.

3.Чем больше биомасса популяции, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень.

Выводы:

1)Своеобразная уникальность нашего времени состоит в наличии процессов высвобождения накопленной за миллионы лет солнечной энергии, а также углерода, серы и других элементов, возникающих при сжигании органического топлива. Это происходит на фоне постепенного уменьшения синтеза биоорганики, вызванного обеднением биосферы. Количество углекислого газа в атмосфере неуклонно растет и на нас надвигается антропогенное потепление.

2)Похоже, что мы являемся свидетелями преобладания распада биоорганики над ее синтезом, что для Земли вовсе не характерно. Такое наблюдается разве что на рубеже эпох, когда одна форма жизни сменяется другой, например, на смену динозавров приходят теплокровные.

3)Продуктивность каждого следующего уровня в экологических пирамидах где-то в 10 раз меньше продуктивности предыдущего уровня

4) Оценки продуктивности особенно важны для сельского хозяйства. По отношению к экосистеме урожай, собранный человеком, является утечкой энергии, обедняющей экосистему.

4)Увеличение продуктивности экосистемы достигается только за счет дополнительных вложений энергии, затрачиваемой на обработку земли, орошение, удобрение, селекцию, борьбу с вредителями и т.п.

73

5)Главную роль в процессах разложения играют живые существа. Все консументы, начиная с фитофагов и кончая сапротрофами, участвуют в процессе измельчения и переваривания пищи. То есть процесс разложения происходит в основном благодаря преобразованию энергии внутри организмов и передаче ее от одного организма к другому вдоль пищевой цепи.

Вопросы для самоконтроля

1.Дать понятие продуктивности экосистемы: первичной и вторичной.

2.Роль энергетических субсидий.

3.Сравнительная продуктивность различных экосистем биосферы.

4.Экологические пирамиды.

5.Роль биотических и абиотических процессов в разложение живого вещества.

6.Стадии разложения живого вещества.

7.Основные принципы функционирования экосистем.

74

Лекция 10 Среда обитания. Абиотические факторы. Закон действия абиотических факторов

Цель: познакомиться с классификацией факторов среды и с адаптацией к ним организмов

10.1 Понятие среды обитания

Под средой обитания понимают совокупность внешних природных условий и явлений, в которых существуют живые организмы, и с которыми эти организмы находятся в постоянном взаимодействии.В биоэкологии речь обычно идет о природной среде, не измененной человеком.

Отдельные элементы среды обитания, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями (адаптациями), называются экологическими факторами или факторами среды. Среди факторов среды выделяют обычно три группы факторов: абиотические, биотические и антропогенные.

1.Абиотические факторы среды – это химические и физические факторы среды, т.е. это условия, напрямую не связанные с жизнедеятельностью организмов. К числу наиболее важных абиотических факторов можно отнести температуру, свет, воду, состав атмосферных газов, структуру почвы, состав биогенных элементов в ней, рельеф местности, огонь, ЭМП и т.п. Основная особенность действия абиотических факторов – большинство из них действуют на организм одновременно.

2.Биотическими факторами среды называется совокупность влияний одних организмов на другие. Живые существа могут служить источником пищи для других организмов, являться средой их обитания, способствовать их размножению и т.п.

3.Антропогенными факторами среды называется совокупность влияний человека на живые организмы. Это влияние также может быть прямым, например, когда человек вырубает лес или отстреливает животных, или косвенным, проявляющимся в воздействии человека на абиотические и биотические факторы среды, например, изменение состава атмосферы, почвы, гидросферы, или изменение структуры экосистем.

Существование любого организма зависит от целого комплекса факторов. При этом удается выделить ряд закономерностей, общих для самых различных частных случаев.

Познакомимся с некоторыми основными законами экологии.

1) Один из важнейших законов экологии, закон минимума Либиха, сформулированный на основе изучения урожайности различных культур в 1840г.: рост растений зависит от того элемента питания, который присутствует

вминимальном количестве.

2)Позднее закон минимума был расширен на все живые организмы и все факторы. Современная трактовка этого закона: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Дальнейшее снижение этого фактора ведет к гибели организма.

75

3)Однако не только снижение интенсивности действия какого-либо фактора, но и превышение сверх допустимых пределов может оказывать лимитирующее воздействие на организмы.

В настоящее время вместо закона минимума чаще говорят о законе лимитирующих (ограничивающих) факторов: фактор, находящийся в недостатке или избытке, отрицательно влияет на организмы даже в случае оптимальных сочетаний других факторов. И еще одна формулировка этого закона, дающая определение лимитирующему фактору: если даже

единственный фактор за пределами зоны своего оптимума приводит к стрессовому состоянию организм и в пределе к гибели, то такой фактор называется лимитирующим.

4)Разные виды хорошо себя чувствуют при разных условиях, а закон действия абиотических факторов на организм одинаков (рисунок 1). На графике следует отметить следующие точки – точка оптимума, зона оптимума, критические точки или пределы устойчивости 1,2, диапазон устойчивости, зоны угнетения или зоны усиливающегося стресса. Выход за пределы 1,2 ведет к массовой гибели организмов. Таких кривых для данного вида организмов можно начертить множество - по каждому из факторов среды.

Сила действия фактора

Рисунок 1

Наиболее полно потенциальные возможности данного вида будут проявляться в том случае, если все факторы лежат в зоне оптимума.

Именно лимитирующие факторы определяют обычно границы распространения видов (популяций), то есть их ареалы, от них зависит продуктивность сообществ, численность особей и многие другие параметры жизни. Ареал – область распространения вида.

10.2 Соответствие между организмами и средой обитания

Жизнь развивается в тесном взаимодействии и единстве среды и населяющих ее организмов. Это один из важнейших законов эволюции, сформулированный В.И.Вернадским. Это значит, что в природе действует

принцип экологического соответствия: форма существования организма всегда соответствует условиям его жизни. И это соответствие закрепляется генетическими механизмами, поэтому каждый вид организмов может

76

существовать только до тех пор, пока окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям. Если эта среда изменяется, то организмы вынуждены либо мигрировать в поисках подходящей среды обитания, либо адаптироваться к новой среде, дав, возможно, начало новому виду, либо погибнуть. Это является основным механизмом действия закона давления среды на жизнь, или закона ограниченного роста, сформулированного Ч. Дарвином, более известного как

закон естественного отбора: несмотря на то, что потомство одной пары

особей, размножаясь в геометрической прогрессии, стремится заполнить весь земной шар, имеются ограничения, не допускающие этого явления.

Суть этих ограничений как раз и состоит в действии на организмы факторов среды. Вовсе не сильнейший выживает в естественном отборе, а тот,

который наиболее адаптирован к факторам среды, то есть кто наиболее гармонично вписан в нее, в ком наиболее полно выражено подобие с системой более высокого иерархического уровня, то есть с экосистемой, с

биосферой, с планетой, со Вселенной в целом, тот, кто, подчиняясь требованиям метасистемы, смог правильно изменить себя и своих потомков.

В то же время согласно принципу максимального давления жизни, открытого В.И.Вернадским, любой вид организмов, стремясь к экологической экспансии, постоянно увеличивает свое давление на среду, изменяя ее в целях достижения более оптимальных для себя значений факторов среды.

Постоянное давление жизни на среду вместе с лимитирующим давлением среды на жизнь приводит к возникновению динамического равновесия, в котором происходит взаимозависимое прогрессивное движение, называемое эволюцией. Поступательность этого движения иногда нарушается локальными или глобальными экологическими катастрофами, но, несмотря на это, после каждой катастрофы жизнь становится еще сложнее, подчиняясь закону необратимости эволюции. В процессе эволюции происходит не только

усложнение форм жизни, но и изменение среды, благоприятствующее новым формам жизни. Какая из этих двух сил первична, а какая вторична, сказать наверное невозможно. Они взаимодополнительны. Мы меняем среду,

среда меняет нас, и в этом мудрость Вселенной, в которой фатальная предопределенность гармонирует со свободой выбора.

Посредством факторов среды планета, космос, Вселенная достаточно однозначно направляют все жизненные процессы в биосфере. На сколько оптимально и оправдано это воздействие - не нам судить, мы можем только принять это как данность, по возможности умеренно воздействуя на среду, смягчая действие ее факторов. Однако сама история эволюции жизни на Земле лишний раз подтверждает третий закон Коммонера: природа всегда права. Поэтому нам нужно существенно ослабить прессинг на среду своего обитания, который в последнее время возрос до пределов, вызывающих экологические катастрофы. Как уже отмечалось, по словам Дж.Форрестера “у человечества

имеется только одна альтернатива - отказ от надежд на дальнейший рост благосостояния или экологическая катастрофа; лучше экономическая стагнация, чем экологический кризис”. Больше внимания нужно уделить не

77

преобразованию планеты под свои потребности, возрастающие бешеными темпами, а адаптациям к факторам среды, как, собственно, и поступает весь живой мир в основной своей массе.

10.3 Адаптация к факторам среды – мутации, естественный отбор, искусственный отбор, клонирование, генная инженерия

Согласно теории Ч. Дарвина, организмы изменчивы. Невозможно найти двух абсолютно тождественных особей одного вида. Эти различия частично передаются по наследству. Все это легко объяснимо и с точки зрения генетики.

Рассмотрим несколько определений – популяция, признак, ген, генотип,

генофонд.

Популяция – совокупность особей одного вида, имеющих общий генофонд

инаселяющий определенное пространство с относительно однородными условиями обитания. Популяция обеспечивает эволюционную устойчивость вида.

Признак – особенность организма как в его внешнем облике, так и во внутреннем строении. Примеры признаков: признаки, определяющие устойчивость к болезням, высоким и низким температурам; способность организма бегать, плавать, летать; инстинктивное поведение организмов.

Главное свойство признаков – их генетическая или наследственная основа. Наследственная основа признаков вида закодирована в молекулах ДНК, которые есть в каждой клетке организма. Молекулы ДНК образуют гены организма.

Совокупность генов организма называется генотипом.

Генотип практически всех организмов представлен не одним, а двумя наборами генов, в парах они могут быть различны или одинаковы. У каждой особи только 2 гена данного признака, а в крупной популяции существует множество вариантов наборов генов данного признака, называемое аллелями.

Во время роста тела организма происходит деление клеток, в результате новая клетка получает точную копию наборов генов. Только при оплодотворении возникают новые наборы генов, поэтому все члены популяции

иих потомки отличаются друг от друга своими генотипами.

Для каждой популяции характерно определенное соотношение между генетической изменчивостью и стабильностью. Генетическая изменчивость лежит в основе наследственной изменчивости признаков. Изменчивость дает возможность популяции приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Стабильность сохраняет уже сложившуюся полезную приспособленность. Популяция поддерживает равновесие между этими противоположными тенденциями. В процессе обучения и тренировки могут развиваться лишь врожденные признаки, но не меняется их генетическая основа.

Можно дать два определения генофонда:

1)Совокупность генов (аллелей) одной особи, популяции, группы популяций или вида, в пределах которой они характеризуются определенной частотой встречаемости.

78

2)Вся совокупность видов живых организмов с их привившимися и потенциальными наследственными задатками.

Все гены (аллели) всех популяций данного вида называется видовым генофондом.

Каждый вид и каждая популяция насыщены разнообразными мутациями, то есть изменениями в строении организмов, вызванными соответствующими изменениями в хромосомах, которые происходят под влиянием факторов внешней или внутренней среды.

Мутации – естественно возникающие или вызываемые искусственно (веществами, радиацией, ЭМП и т.д.) изменение наследственных свойств организма. Мутации могут быть природным явлением и могут быть результатом деятельности человека.

При изменении условий среды обитания формируется давление среды на популяцию, при этом наибольшие шансы на выживание получают носители таких мутаций, которые “угадали” такие изменения, которые более благоприятны для новых условий среды, чем исходные формы. Именно они дают наибольшее потомство, в котором происходит еще большее уточнение форм, удовлетворяющих новому состоянию среды. В результате с каждым новым поколением формы постепенно изменяются. Такой естественный отбор называется движущим.

Отметим еще две особенности естественного отбора: 1) каждое поколение подвергается отбору на выживаемость и воспроизведение; 2)потомству передаются лишь наборы генов выживших особей, а погибших особей отсеиваются из генофонда.

Мутации могут оказаться вовсе не случайными, а вполне направленными и призванными найти новые формы, отвечающие требованиям изменившейся среды. Не исключено, что конкретная мутация какого-либо признака носит цепной характер. То есть, возникнув однажды в потомстве одной пары, удачная мутация оказывается “заразной” для других пар родителей, дающих свое потомство, но с теми же удачными мутациями. В результате уже в течение одного поколения в рамках вида у разных родителей могут народиться дети, обладающие одинаковыми признаками, отличающимися от признаков родителей, образовав тем самым совершенно новый подвид. Новый подвид (а впоследствии новый вид) появляется сразу, практически в одно время, и сразу же оказывается представленным достаточно большим для устойчивого размножения количеством особей. Правда, пока это только гипотеза.

Однако в последнее время появилась информация о широком рождении в последние 10 - 15 лет детей - индиго, которые обладают одинаковыми признаками, отличающими их от обычных детей (высокий уровень интеллекта, проявляющийся с раннего возраста, доброта, неприятие любого давления со стороны взрослых – родителей и преподавателей, повышенный иммунитет, способность самоизлечиваться и т.д.). Есть мнение некоторых ученых, что рождается новый вид человека.

Такие процессы возникают, по-видимому, в те самые периоды серьезных изменений среды, грозящих вымиранием данному виду. Именно тогда

79

формируется “мутовка”, то есть на свет появляется огромное количество мутаций, цель которых: найти верное решение, новую форму.

Есть мутации, которые происходят по вине человека (примеры – Чернобыль, Хиросима и Нагасаки), они приводят к неконтролируемому делению клеток – к раковым заболеваниям и могут передаваться по наследству.

Человек разрабатывает новые технологии, в результате которых происходит изменение генофонда – искусственный отбор, клонирование, генная инженерия. В клонировании и генной инженерии в последние два года получены очень интересные результаты.

В процессе искусственного отбора генофонд изменяется целенаправленно в различных направлениях, в зависимости от предпочитаемых признаков. Пример – работа селекционера.

Клонирование – бесполое размножение. Размножение растений с помощью черенков, в результате чего точная получается точная копия генов. Клонирование органов, овечек, телят, овечка Долли, клонирование детей, клонирование стволовых клеток. В нашей стране и многих других странах клонирование человека и его органов запрещено.

Генная инженерия – в ее основе лежит процесс получения специфических генов (отрезков ДНК) и введение их другому организму без скрещивания. Эта технология считается спорной и нет четкого мнения – вредно или нет для окружающей среды и человека то, что получено таким путем.

Примеры – ГМП генетически модефицированные продукты питания (их около 20 – соя, кукуруза, картофель, свекла и др.). По закону на продуктах должна быть надпись – ГМП.

В заключении можно сказать, что давление человека на среду уже превышает все мыслимые пределы. Но оно к тому же и растет с каждым годом. Единственная надежда на то, что человек одумается и откажется от своих проектов перестройки надсистемы по своему усмотрению. Однако время первого испуга после докладов Римского клуба о крахе цивилизации уже миновало. Вот уж тридцать лет прошло, а ничего страшного еще не случилось. Может нас просто пугают, как всегда? Вместе с отступлением страха мы с удвоенной силой вгрызаемся в планету, выжимая из нее еще больший рост нашего благосостояния. Обогащайтесь! - вот девиз нашего времени. Правда,

вместо всеобщего благоденствия мы почему-то приходим к резкой дифференциации общества, вместо радости от благ цивилизации мы получаем чрезмерные психические перенапряжения, вместо душевного подъема - духовную деградацию, вместо прогресса - движение в пропасть.

Выводы:

1)Существование любого организма зависит от целого комплекса факторов.

2)Разные виды хорошо себя чувствуют при разных условиях, а закон действия абиотических факторов на организм одинаков

80

3)Мы меняем среду, среда меняет нас, и в этом мудрость Вселенной, в которой фатальная предопределенность гармонирует со свободой выбора.

4)В процессе эволюции происходит не только усложнение форм жизни, но и изменение среды, благоприятствующее новым формам жизни. Мы меняем среду, среда меняет нас, и в этом мудрость Вселенной, в которой фатальная предопределенность гармонирует со свободой выбора.

5)Сама история эволюции жизни на Земле лишний раз подтверждает третий закон Коммонера: природа всегда права. Поэтому нам нужно существенно ослабить прессинг на среду своего обитания, который в последнее время возрос до пределов, вызывающих экологические катастрофы.

6)Давление человека на среду уже превышает все мыслимые пределы. Но оно к тому же и растет с каждым годом. Единственная надежда на то, что человек одумается и откажется от своих проектов перестройки надсистемы по своему усмотрению.

Вопросы для самоконтроля

1.Биотические и абиотические факторы окружающей среды.

2.Закон лимитирующих факторов.

3.Пояснить ход кривой толерантности.

4.Закон естественного отбора.

5.Естественный отбор.

6.Классификация и характеристика действия факторов среды обитания по степени направленности.

81