Основы экологии

Экология – наука, изучающая взаимоотношения организмов между собой и со средой обитания. Она рассматривает особенности развития, размножения и выживания особей, структуру и динамику численности популяций. Современная экология включает в себя ряд разделов, изучающих разные стороны взаимоотношений организмов между собой и с неживой природой. Так, аутэкология или экология особей изучает адаптации к температуре, влажности, солености; характеристики роста и размножения; особенности обмена веществ у особей разных видов. Популяционная экология занимается вопросами пространственной структуры и численности популяций. Экология сообществ исследует видовой состав сообществ, их пространственную структуру, изменения во времени. Выделяют разделы экологии и по другим принципам. Так исторически сложилось деление этой науки на экологию растений и экологию животных. В последнее время бурно развивается экология микроорганизмов. Говорят об экологии рыб, земноводных, насекомых и других типах сообществ. Например, водными экосистемами занимается гидроэкология, лесными – лесоведение. Палеоэкология реконструирует древние сообщества, изучает их эволюцию. Экология тесно связана с эволюционным учением, систематикой, генетикой и другими биологическими дисциплинами.

Предметом экологии являются различные уровни организации живой материи – популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный.

Задачи экологии: 1) исследовать закономерности взаимоотношений различных групп организмов с факторами окружающей среды; их влияние на среду обитания; 2) разрабатывать научные основы рационального использования биологических ресурсов; прогнозировать изменения природы в связи с деятельностью человека; 3) разрабатывать биологические меры борьбы с сорняками и вредителями растений; 4) изучать возможности создания безотходных технологий на промышленных предприятиях; 5) организовывать мероприятия по ликвидации природных очагов инфекций и инвазий.

Методы экологии: 1) полевые – выясняют характер влияния на популяцию факторов среды, общую картину жизнедеятельности вида в конкретных условиях; 2) экологический эксперимент – устанавливает особенности влияния отдельных факторов на развитие организма (в аквариуме или мелком водоеме); 3) математическое моделирование – предсказывает жизнеспособность экосистем в зависимости от климатических условий и антропогенных нагрузок.

Значение экологических знаний в жизни человеческого общества всегда было велико. В период охоты и собирательства, когда еще не было письменности, знания об образе жизни и повадках животных, распространении и свойствах растений передавались устно из поколения в поколение. Когда возникло сельское хозяйство стали накапливаться знания об оптимальных сроках посева и сбора урожая, о свойствах почв и удобрений, о влиянии растений и животных друг на друга и т. п. Но эти знания еще не были научными. Когда экология сформировалась как наука, ее роль резко возросла. Появилась возможность предсказывать последствия хозяйственной деятельности человека, давать рекомендации как вести хозяйство, промысел, развивать промышленность, не истощая ресурсов среды и не разрушая природных сообществ. Важность таких научных прогнозов особенно велика в наши дни, когда из-за технического прогресса человечество стало заметно воздействовать на биосферу в целом, т. е. на свою среду обитания.

Среда в понимании эколога – все, что окружает особь и воздействует на нее. Сюда входят все живые существа, любые неживые объекты, физические и химические процессы и явления.

У каждого вида своя среда обитания. Для дерева – почва и рядом растущие растения. Для аскариды – организм человека, для волка – разные территории в десятки квадратных километров.

С внешней средой живые организмы постоянно обмениваются веществом и энергией. Такие системы называют открытыми. Растения и некоторые виды бактерий получают энергию в виде солнечного света, остальные организмы – в виде различных веществ, при окислении которых высвобождается энергия химических связей. Запасенная в виде АТФ энергия расходуется организмами на совершение различных видов работ: синтез органических соединений, транспорт веществ, движение. Часть энергии при этом рассеивается в виде тепла. Вещества, поступающие в организм извне, либо преобразуются и включаются в состав тела, либо расходуются на химические реакции.

Испытывая потребность в притоке веществ и энергии, организмы полностью зависят от среды. Как только обмен со средой прекращается, активная жизнедеятельность становится невозможной. Но организмы и сами активно влияют на среду обитания. От жизнедеятельности организмов зависит газовый состав атмосферы. Кислород поступает в результате фотосинтеза растений и расходуется организмами – аэробами при дыхании. Углекислый газ извлекается из атмосферы растениями и вновь поступает туда при разложении остатков погибших организмов. Азот извлекается из атмосферы азотфиксирующими бактериями и возвращается в нее вследствие деятельности других бактерий. Разлагая тела погибших организмов, бактерии, грибы и животные участвуют в образовании почвы. От деятельности животных и растений зависит содержание растворенного органического вещества и минеральных солей в природных водах.

Организмы могут менять не только химический состав среды, но и ее физические свойства. Например, роющие животные рыхлят почву, перемешивают ее слои и тем самым меняют механический состав.

Итак, организмы постоянно испытывают воздействие меняющихся условий среды и сами изменяют эти условия.

Экологические факторы – это любые воздействия среды, на которые организм реагирует приспособительными реакциями. Выделяют три группы таких факторов: 1) абиотические, 2) биотические, 3) антропогенные.

Абиотические факторы – это совокупность условий неорганической природы (температура, свет, влажность, химический состав почвы, воздуха; различные виды излучения и т. д.).

Температура. От температуры окружающей среды эависит температура тела большинства организмов, а следовательно, скорость всех химических реакций. Нормальное строение и функционирование белков, от которых зависит само существование жизни, возможно в пределах от 0 до 50 С. Температурные границы жизни гораздо шире. Некоторые виды бактерий и водорослей обитают в горячих источниках при температуре +80  – 88 С. Во льдах Антарктиды температура может опускаться до – 88 С. Таким образом, диапазон колебаний температуры на разных территориях Земли, где встречается жизнь, достигает 176 С. Даже в одном местообитании температура может значительно колебаться в течение суток. Например, в пустыне Сахара суточные колебания могут быть до 50 С Разница между минимальной температурой зимой и максимальной летом может составлять более 80 С. Но ни одно живое существо в мире не способно в активном состоянии переносить весь диапазон температур. Поэтому распространение любого вида растений или животных ограничено тем местообитанием, к температуре которого он приспособлен.

По отношению к температуре живые организмы делят на две группы: пойкилотермные, температура тела которых зависит от окружающей среды и получающих теплоту от внешних источников, и гомойотермные, поддерживающих температуру тела самостоятельно, независимо от ее колебаний во внешней среде. В процессе эволюции все организмы выработали механизмы терморегуляции.

Приспособления против переохлаждения: морфологические адаптации (карликовость, образование стелющих форм); физиологические (снижение точки замерзания клеточного сока, повышение концентрации углеводов, накопление глицерина и некоторых спиртов у зимующих насекомых); поведенческие приспособления (поиски укрытия в почве, коре деревьев, строениях). Крайней формой адаптации служит анабиоз – это состояние организма, когда все процессы жизнедеятельности настолько снижены, что отсутствуют все видимые признаки жизни. Для многих видов животных характерна зимняя спячка, во время которой уровень обменных процессов снижается, но не достигает той степени угнетения, как при анабиозе.

Приспособления против перегрева: густое опушение листьев у растений, свертывание листовых пластинок или их уменьшение, превращение в колючки; развитая корневая система, запасание воды. У пойкилотермных животных основные способы регуляции температуры поведенческие: изменение позы тела, рытье нор, смена места обитания, ночной образ жизни и др. Гораздо меньше зависят от температуры окружающей среды гомойотермные животные. У них произошли ароморфозные изменения в строении кровеносной системы (полное разделение сердца на 4 камеры и токов артериальной и венозной крови) и нервной системы (головной мозг обеспечивает совершенную регуляцию обмена веществ, дыхания, кровообращения). Кроме того, они имеют много мелких частных приспособлений, обеспечивающих постоянную температуру тела (толстый слой жировой клетчатки, перья, волосяной покров).

Свет. Излучение Солнца выполняет по отношению к живым организмам двоякую роль. Во-первых, это источник тепла, а во-вторых, свет является сигналом, определяющим активность процессов жизнедеятельности. Для живых организмов большое значение имеет длина волны излучения, его продолжительность и интенсивность. Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) составляют 10% всей лучистой энергии. Они невидимы для человека, но под их воздействием в организме образуется витамин Д. Органы зрения насекомых воспринимают УФЛ и с их помощью ориентируются в пространстве в пасмурную погоду.

Наибольшее значение имеет видимый или белый свет, он составляет 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Энергия видимого света используется для фотосинтеза. У растений с повышением освещенности возрастает интенсивность фотосинтеза до известного предела, называемого уровнем светового насыщения. Дальнейшее усиление светового потока не сопровождается увеличением фотосинтеза, а затем даже угнетается.

По отношению к свету различают три группы растений: светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые.

В регуляции активности живых организмов и их развитии большое значение имеет продолжительность освещения (фотопериод). Изменение фотопериода служит сигналом к изменению процессов жизнедеятельности. Весной, с удлинением фотопериода начинается рост и цветение у растений, размножение у птиц и млекопитающих. Укорочение фотопериода осенью служит сигналом растениям сбрасывать листву, животным – накапливать жир, готовиться к зимней спячке. Реакция организмов на сезонные изменения длительности дня носит название фотопериодизма. У растений под влиянием света образуются гормоны, влияющие на процессы цветения, плодоношения, образования клубней. В зависимости от реакции на длину светового дня растения делят на длиннодневные (злаки, картофель), короткодневные (табак, томаты) и нейтральные (горох, гречиха).

Человек, изучив закономерности фотопериодических реакций у растений и животных, научился регулировать их физиологические процессы, благодаря чему наладилось круглогодичное выращивание цветов и овощей в теплицах, цыплят – на птицефабриках.

Вода – необходимый компонент клетки, поэтому ее количество в том или ином месте обитания определяет характер растительного и животного мира в данной местности. В некоторой зависимости от количества воды в окружающей среде находится содержание ее в теле животных и растений и их устойчивость к высыханию. У растений сухих степей и пустынь вода составляет 30-65% от общей массы, в лесостепных дубравах эта величина возрастает до 70-85%, в ельниках до 90%. У живoтных в теле содержится до 50% воды, при этом у наземных видов меньше, чем у водных. Растения выработали в процессе эволюции ряд приспособлений к периодическому недостатку влаги: резкое сокращение вегетационного периода и длительный период покоя в виде семян, клубней, луковиц; уменьшение площади листовой пластинки и числа устьиц на ней; запас воды в стебле или корне; сильно развитая корневая система и т. д.

Пустынные животные имеют особый тип обмена веществ, при котором вода образуется в организме при поедании сухого корма. Источником воды служит и жир (верблюды, курдючные овцы). Копытные способны в поисках воды пробегать огромные расстояния (сайгаки). Многие виды ведут ночной образ жизни или на период засухи впадают в спячку.

Соленость. Для живых организмов большое значение имеет качественный и количественный состав минеральных солей в окружающей среде. Воздух содержит мало солей, и они не оказывают существенного влияния на растения и животных. В воде соли присутствуют в виде ионов и катионов (Nа, Са, Мg, Cl) и остатков серной кислоты SO₄, гидрокарбоната НСО₃, карбоната СО₃. В морской воде больше натрия и хлора, в пресной – кальция, гидрокарбоната и карбоната.

Повышение или понижение кислотности и щелочности губительно действует на живые организмы, нарушая процесс осморегуляции, газообмен, работу ферментов. Промышленное загрязнение атмосферы (диоксид серы, оксиды азота) приводит к выпадению кислотных дождей, которые служат причиной засыхания лесов, исчезновения рыбы из водоемов.

Кислород. Кислород необходим для обеспечения жизнедеятельности большинства живых организмов. В воздухе в среднем содержится 21% кислорода, в воде – 1%. С повышением высоты над уровнем моря содержание кислорода в воздухе уменьшается, параллельно снижается атмосферное давление. Источником пополнения запасов кислорода в атмосфере служат в основном леса. Один гектар соснового леса в год дает 30 т кислорода. Это годовая потребность 19 человек. Один гектар лиственного леса выделяет в год 16 тонн кислорода, а сельскохозяйственные угодья – от 3-х до 10 тонн. Отсюда понятно, что уничтожение лесов, наряду с увеличением выброса углекислого газа в атмосферу промышленными предприятиями и автомобильным транспортом, может серьезно изменить соотношение газов и повлиять на живой мир нашей планеты.

Почва. Для растений важна кислотность почвы – содержание ионов водорода. Почва с РН-7 (нейтральная) пригодна для большинства растений. На почве с РН ниже 7 хорошо растут пихта, сосна, папоротники, при РН выше 7 (щелочная) – ель, туя. Соленость почвы также бывает разной, и от этого зависит растительность данной местности. Так, на известковой почве (много кальция) хорошо растут маслины, хлопчатник; на солончаковой (много калия и натрия) – солодка, солянка. Наиболее плодородна черноземная, богатая перегноем почва (много азота, органических соединений). Определенную значимость для растений имеет рельеф. На южном склоне более высокая температура, лучшая освещенность, меньшая влажность. На северном – наоборот.

Магнитное поле Земли – важный фактор окружающей среды. Напряженность магнитного поля возрастает с широтой. При изменении интенсивности потоков частиц, движущихся от Солнца, возникают кратковременные нарушения в магнитном поле Земли – «магнитные бури». Напряженность магнитного поля Земли меняется и на протяжении суток. Резкие ее колебания нарушают у человека функционирование нервной и сердечно-сосудистой систем.

Биотические факторы – это живые существа, которые воздействуют друг на друга и на среду обитания. Примером их взаимодействия могут служить пищевые связи, которые выражаются в следующих формах: 1) хищничество, 2) конкуренция, 3) симбиоз, 4) антибиоз.

Хищничество – это такое взаимоотношение, когда один организм использует другой (жертву) в качестве пищи. Обычно это разовый акт, реже – хищник прячет остатки жертвы, а позже возвращается к ним.

Конкуренция – борьба внутри вида или между видами за свет, тепло, ареал, пищу. При этом особи одного вида могут полностью вытеснить особей другого вида с данной территории.

Симбиоз – дословно совместная жизнь. Выделяют несколько форм симбиоза: 1) мутуализм, 2) комменсализм, 3) паразитизм.

Мутуализм – взаимовыгодное сожительство двух видов. Например, лишайники. Гифы гриба оплетают нити водорослей и получают вещества,синтезируемые ими. Водоросли же получают воду и минеральные вещества из гиф гриба. Высшие растения также вступают во взаимовыгодные отношения с грибами. Примером может служить микориза – сожительство корней растения и гриба.

Комменсализм – сотрапезничество. Выделяют несколько форм комменсализма: совместное проживание под одной крышей особей разных видов (рак-отшельник и нереида в одной раковине моллюска), нахлебничество или одностороннее использование одного вида другим, без принесения ему вреда (гиены следуют за львом и питаются остатками его жертвы; рыба-прилипало присасывается к телу акул и как на транспорте переносится на большие расстояния); квартирантство – особи одного вида используют особей другого вида в качестве жилища (мальки рыб под зонтиком медуз, эпифиты – растения, живущие на других растениях, не причиняя им вреда – лишайники, мхи.)

Паразитизм – антагонистический симбиоз, когда один организм использует другой в качестве жилища и источника питания, причиняя хозяину чаще всего вред. Различают паразитов постоянных (обитают в организме хозяина всю свою жизнь) и временных (используют хозяина лишь для питания). У некоторых видов все стадии жизненного цикла проходят в одном организме, у других – со сменой хозяев. По месту расположения в организме хозяина различают паразитов наружных и внутренних. В теле паразитов могут жить другие паразиты. Такое явление называют сверхпаразитизмом. У паразитов в результате естественного отбора появились многочисленные приспособления, способствующие добыванию пищи (колюще-сосущий ротовой аппарат), удержанию в теле хозяина (присоски, крючья), совершенствованию хранения пищи (слепые выросты кишки), возрастание объема половых органов и их продуктивности. В то же время паразитический образ жизни приводит и к упрощению организации: утрачиваются органы движения, органы чувств. У ленточных червей, например, отсутствует пищеварительная система.

Антибиоз – это угнетение одного организма или вида в целом другим за счет выделения особых веществ, обладающих бактериоцидным действием. Например, гриб пеницилл выделяет пенициллин, который убивает другие микроорганизмы; ель, сосна, лук, чеснок выделяют фитонциды, губительно действующие на другие организмы.

Любая форма взаимоотношений служит регулятором экологической структуры популяции и определяется характером распределения популяции на территории (плотностью, возрастом, половым составом, численностью). Зная закономерности этих взаимоотношений, человек может управлять популяцией.

Из группы биотических факторов особо выделен антропогенный фактор (т. е. влияние человека). Это влияние может быть положительным, полезным и отрицательным, вредным. Влияние антропогенного фактора можно свести к следующим направлениям: 1) воспроизведение и охрана растений и животных (посадка лесов, садов, парков; создание искусственных водохранилищ, заказников, заповедников); 2) выведение новых сортов растений и пород животных (селекция); 3) интродукция (ввоз таких сортов растений или пород животных, которых на данной территории не было); 4) использование растений и животных вплоть до истребления; 5) использование нефти, газов, угля, руд с выбросом вредных веществ в атмосферу.

Таким образом, антропогенный фактор значительно меняет природу. В последнее время человечество все больше и больше задумывается над проблемой разумного использования природных ресурсов и здоровья человека.

Все факторы среды действуют на организм совместно. При этом результат воздействия одних факторов часто зависит от других. Так, в мороз животные могут погибать при отсутствии пищи и нормально себя чувствовать, когда пищи достаточно. Человек легче переносит жару при низкой влажности, чем при высокой.

Сложные взаимоотношения существуют и между разными биотическими факторами. Ослабленное паразитами животное становится более легкой добычей хищников. Вытаптывание растительности копытными приводит к тому, что более устойчивые к вытаптыванию виды вытесняют другие виды.

Комплекс факторов, которые требуются для существования вида, включая его связи с другими видами, называется экологической нишей. Другими словами, экологическая ниша – характеристика всех сторон образа жизни данного вида. Различают фундаментальную и реализованную ниши. Фундаментальная экологическая ниша – те условия, в которых вид в принципе может существовать. Реализованная ниша – условия, где вид реально встречается в данном сообществе. Реализованная ниша всегда составляет часть фундаментальной ниши. Экологическая ниша вида определяет его распространение и роль в сообществах.