Основные представления об адаптациях организмов
Адаптация (от лат. «приспособление») – приспособление организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций) и их органов. Адаптация всегда развивается под воздействием трех основных факторов – изменчивости, наследственности и естественного отбора (равно как и искусственного – осуществляемого человеком).
Основные адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно обусловлены. Они формировались на историко-эволюционном пути живых организмов (или биоты) и изменялись вместе с изменчивостью экологических факторов. Организмы адаптированы к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные.
Первичные – это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя и наиболее совершенная.
Вторичные периодические факторы являются следствием изменения первичных: влажность воздуха, зависящая от температуры; растительная пища, зависящая от цикличности в развитии растений; ряд биотических факторов внутривидового влияния и др. Они возникли позднее первичных, и адаптация к ним не всегда четко выражена. Характерные черты периодических факторов часто принимает антропогенное воздействие, длительно или периодически (с равными интервалами) воздействующее на живые организмы. В качестве примера здесь можно привести факт привыкания насекомых – вредителей или возбудителей болезней к постоянному (периодическому) использованию одного пестицида. Появление устойчивости массово наблюдалось у колорадского жука на картофельных полях Беларуси по отношению к инсектициду карате в 1999‑2000 гг.
В нормальных условиях в местообитании должны действовать только периодические факторы, непериодические – отсутствовать.
Непериодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызвать болезни или даже смерть живого организма. Человек использовал это в своих интересах, искусственно вводя непериодические факторы: введением химических ядов он уничтожает вредные для него организмы – паразитов, вредителей сельскохозяйственных культур, болезнетворные бактерии. Однако, чтобы сохранить эффективность этих мероприятий, необходимо избегать периодичности использования препаратов. Для этого нужно сочетать чередование препаратов с разным механизмом действия с тем, чтобы сами обработки проводить не в соответствии с календарным планом, а в соответствии с ориентацией на экономический порог вредоносности вредителей, возбудителей болезней и сорняков и прогнозом появления вредных организмов.
Закономерности воздействия одного экологического фактора на организм
Различные экологические факторы среды имеют неодинаковое значение для совместно обитающих организмов разных видов. Так, высокий снежный покров благоприятен для мышей и губителен для лосей. Большинство экологических факторов очень изменчивы в пространстве и времени (температура, влажность, осадки, обилие пищи и т. д.).
Любой экологический фактор может действовать как прямо, так и косвенно, через многочисленные причинно-следственные связи. Тем не менее в характере воздействия факторов на организм и в ответных реакциях живых существ есть ряд общих закономерностей. К их числу относится реакция организмов на дозировку, силу воздействия факторов. Любой экологический фактор, воздействующий на живой организм, вызывает несколько типов ответных реакций. Это воздействие можно отобразить графически (рис. 1.).
Рис. 1. Зависимость результатов действия экологического фактора от его интенсивности
Как недостаточное, так и избыточное воздействие отрицательно сказывается на жизнедеятельности живых организмов. Благоприятный уровень воздействия называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности) для организмов данного вида. Она обычно находится в области, близкой к средней силе воздействия факторов. Большие или меньшие дозировки, в пределах которых организм еще может существовать, называются зоной пессиума, или, поскольку организм еще может жить, но находится в угнетенном состоянии, зоной угнетения.
Сочетание диапазонов зон оптимума и пессиума служит критерием для определения пределов выносливости, пластичности организма по отношению к данному экологическому фактору. Это сочетание называют зоной толерантности (от лат. толерантность – выносливость). Ее размер называется экологической валентностью. Экологическая валентность различна для представителей разных видов. Так, северный олень выносит колебания среды в диапазоне до 80 °С, а обитатели коралловых рифов в тропических морях 5–6 °С. Широкую экологическую валентность вида по отношению к определенному абиотическому фактору среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври» (от греч. eurys – широкий). Так, эвритермный вид – выносящий значительные колебания температуры. Узкая валентность обозначается приставкой «стено» (от греч. stenos – узкий). Организмы с узкой экологической валентностью (стенобионты) используются как экологические индикаторы.
Оптимум для видов необязательно совпадает со средним значением фактора и может быть смещен к максимуму или минимуму. Так, существуют холодостойкие, теплолюбивые виды, хотя диапазон действия температур приблизительно одинаков.
Значения факторов, за границами которых нормальная жизнедеятельность невозможна, называется пределом выносливости. Различают верхний и нижний пределы (лимитирующие факторы). В 1913 г. американским зоологом В. Э. Шелфордом сформулирован был закон толерантности, или лимитирующих факторов: лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Можно сделать вывод из этого закона: любое вещество, находящееся в среде в избытке и ограничивающее развитие организмов, является загрязнителем.
Закономерности воздействия нескольких факторов на живой организм
Экологические факторы обычно действуют на организм комплексно. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов могут изменяться в зависимости от совокупности факторов. Однако среди комплекса экологических факторов можно выделить лимитирующие, которые ограничивают существование вида в среде обитания.
Закон лимитирующего фактора, или закон минимума, был сформулирован в 1844 г. немецким ученым-агрохимиком Ю. Либихом в экспериментах с питанием растений. В общем смысле его можно сформулировать так: при одновременном воздействии нескольких факторов выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т. е. жизненные возможности ограничивают те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибели организма или деструкции экосистемы. Проиллюстрировать взаимодействие нескольких факторов на организм можно с помощью бочки Добенека (рис. 2).
Рис. 2. Бочка Добенека, иллюстрирующая закон одновременного воздействия нескольких факторов на организм – закон Либиха
Здесь наглядно видно, что поломанную бочку можно наполнить только до уровня минимальной клепки. Также и жизнедеятельность (или продуктивность) любого организма будет определяться количеством того фактора, который находится в минимальном количестве. В качестве хорошего примера можно привести ситуацию ограничения активности растений зимой: при наличии достаточного количества воды (в виде снега), света (ясные дни в феврале), питательных элементов в почве очень низкий уровень температур является лимитирующим фактором для развития.
С учетом закона Шелфорда закон Либиха принимает такую корректировку, что лимитирующим фактором может являться фактор, находящийся как в минимальном, так и в экстремально высоком количестве.
Выявление лимитирующего фактора чрезвычайно важно для сельского, рыбного, лесного хозяйства и в других ключевых объектах взаимодействия человека с окружающей средой, т. к. как устранение этого фактора позволит повысить продуктивность растений и животных, а также выявить ключевые экологические проблемы и впоследствии найти пути их решения.
Таким образом, все живые организмы живут в определенном пространстве, которое называется средой обитания. Те компоненты среды обитания, которые оказывают воздействие на живые организмы и вызывают у них проявление приспособительных реакций, называются экологическими факторами. Экологические факторы по своему происхождению бывают трех типов – биотические, абиотические и антропогенные. Существование любого организма под воздействием экологического фактора возможно только в пределах выносливости, которые ограничиваются как минимальными, так и максимальными уровнями воздействия любого из факторов. При одновременном воздействии на организм нескольких факторов лимитирующим будет тот, значение которого экстремально для жизнедеятельности.
Контрольные вопросы
Что такое среда обитания?
Что такое экологический фактор?
Дайте классификацию экологических факторов и приведите примеры.
Что такое периодические и непериодические факторы?
Что такое адаптация живых организмов? К каким экологическим факторам живые организмы могут адаптироваться?
Что необходимо учитывать на практике, зная о механизме адаптации живых организмов к периодическим и непериодическим факторам?
Опишите закономерность, по которой на организм воздействует один экологический фактор.
Чем определяется толерантность организма к воздействию экологических факторов?
Сформулируйте закон Шелфорда.
Чем определяется воздействие нескольких факторов на организм? Сформулируйте закон Либиха.