ОСНОВЫ БИОЭКОЛОГИИ
Экологические факторы
Все организмы живут с вреде обитания, или окружающей среде, которая является совокупностью элементов, способных оказывать прямое или косвенное воздействие на организмы. А элементы окружающей среды, оказывающие влияние на живые организмы и называются экологическими факторами. Они разделяются на абиотические, биотические и антропогенные.
АБИОТИЧЕСКИЕ факторы – это температура, свет, влажность, осадки, ветер, атмосферное давление, воды, почвы и прочее.
БИОТИЧЕСКИЕ факторы – это живые организмы (бактерии, грибы, растения, животные), вступающие во взаимодействие с данным организмом.
АНТРОПОГЕННЫМ факторы – это особенности среды, обусловленные трудовой деятельностью человека. Их роль постоянно возрастает.
Надо учитывать, что на отдельные организмы и их популяции одновременно воздействуют многие факторы, создающие комплекс условий, в котором могут обитать те или иные организмы. Одни факторы могут усиливать или ослаблять действие других факторов. Степень воздействия факторов окружающей среды зависит от силы их воздействия. Значение экологических факторов неравноценно. Жизненно важные факторы называются лимитирующими, если при их отсутствии жизнь невозможна, например, как кислород в атмосфере для наземных организмов. Однако лимитирующими экологическими факторами называются все факторы, которые ограничивают развитие организмов из – за недостатка или избытка их по сравнению с оптимальным содержанием. Всю сложность влияния экологических факторов на организм отражает закон толерантности В. Шелфорда, смысл которого заключается в невозможности успешного процветания вида как в условиях недостатка, так и избытка любого из факторов, влияющих на организм, т.е. за пределами толерантности.
АБИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
К ним относятся почвенные, климатические топографические и другие факторы, в том числе волны, морские течения, пожары.
ПОЧВОЙ называют слой вещества, лежащий поверх горных пород земной коры. Почва образуется в результате многих факторов, основными из которых являются климат, материальная порода (геологические условия), топография (рельеф), живые организмы и время.
КЛИМАТИЧЕСКИМИ факторами является свет, температура, вода, ветер. Солнечный свет является основным источником энергии, которая восполняется для всех жизненных процессов на Земле. Под действием света осуществляется фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение, синтез витамина Д и др.
ТЕМПЕРАТУРА
Солнце – главный источник тепла.
Это важный лимитирующий фактор. У большинства организмов процессы жизнедеятельности протекают при температурах от -4 С до +45 С. Однако жизнь возможна при колебаниях температуры от -80 С в Антарктиде (пингвины)
до +60 С в горячих источниках (некоторые виды водорослей). Важным лимитирующим абиотическим фактором является влажность, так как без воды не может существовать ни один организм. Содержание воды в клетках достигает 70 – 90%. Она непосредственно участвует в биохимических реакциях в организмах живых существ. Недостаток влаги служит ограничивающим фактором, определяющим границы жизни и ее зональное распределение. Соленость среды обитания также является важным экологическим фактором. В природе преобладают организмы, приспособленные только к пресной воде (карповые) или только к соленой (сельдевые). Однако имеются пограничные виды, так взрослые угри живут в пресных водоемах, их личинки – в морях. Лососевые наоборот.
К важным абиотическим факторам относится барометрическое давление и состав атмосферного воздуха. Большинство живых организмов приспособлено к колебаниям давления от 700 до 780 мм рт. Ст. на уровне мирового океана, а также к определенному составу атмосферного воздуха, доля кислорода в котором составляет около 21%, а азота 78%. Главным топографическим фактором является высота. С высотой снижается средняя температура, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается атмосферное давление и концентрация газов.
БИОТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Это компоненты живой природы, прямо или косвенно действующие на организм. Все виды взаимодействий между организмами можно подразделяются: конкуренцию; хищничество; антибиоз; симбиоз.
Конкуренция возникает, когда для существования организмов имеются необходимые или сходны условия. В конкурентное отношения могут вступать особи одного или разных видов (сосны – за свет, разные виды хищников – за жертву). При хищничестве наблюдается прямое уничтожение жертвы, и использование ее в пищу.
Антибиоз – отношения между организмами разных видов, при которых особи одного вида путем выделения определенных веществ, фунгицидов или антибиотиков, оказывают угнетающее воздействие на особей других видов.
Симбиоз – это любое сожительство организмов разных видов, приносящее пользу хотя бы одному из них. Симбиоз бывает четырех видов: 1. взаимовыгодный, например, лишайники (сожительство водоросли и гриб); 2. квартиранство (особь одного вида использует особь другого вида, как жилище, не принося хозяину ни пользы, ни вреда); 3. нахлебничество. Один из организмов использует другой как жилище и источник питания, но не приносит при этом вреда хозяину; 4. паразитизм – форма антагонистического сожительства организмов разных видов, при котором паразит, поселяясь в организме хозяина, питается за его счет и приносит ему вред.
АНТРОПОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ
Связаны с деятельностью человека и могут быть как положительными (посадка лесов, парков, садов, создание новых пород растений и животных), так и отрицательными (вырубка лесов, загрязнение окружающей среды отходами производства и т.д.).
С ними связано возникновение сложных экологических проблем современности (парниковый эффект, кислотные дожди, загрязнение окружающей среды токсикантами, обезлесивание). Масштаб воздействия человеческого общества на природу стал планетарным, заметно ухудшив условия жизни на Земле.
БИОГЕНОЦЕНОЗЫ, ИХ СТРУКТУРА И ХАРАКТЕРИСТИКА
Однородные участки суши или воды, заселенными живыми организмами называются биотопами (местами жизни). Исторически сложившееся сообщество организмов разных видов, населяющих биотоп, называется биоценозом, или биомом. Сообщество организмов биоценоза и окружающая их неживая природа образуют устойчивую и динамичную систему – биогеоценоз, или экосистему. То есть, биогеноценоз – это совокупность биома и биотопа.
В состав биогеноценоза входят следующие компоненты:
-неорганические вещества, включающиеся в круговорот (соединения углерода, азота, кислорода, вода, минеральные соли и пр.);
- климатические факторы (температура, давление, освещенность и др.);
-продуценты – автотропные организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических под воздействием солнечного света (зеленые растения);
-консументы – гетеротрофные организмы (растительноядные и плотоядные потребители готового органического вещества);
-деструкторы и редуценты – гетеротрофные организмы, разрушающие остатки мертвых растений и животных (черви, мокрицы, раки, сомы) и превращающие их в минеральные соединения (бактерии, грибы).
Каждый биогеоциноз характеризуется видовым разнообразием, численностью и плотностью популяции каждого вида, биомассой и продуктивностью. Численность определяется поголовьем животных или количеством растений на данной территории (бассейн реки, акватория моря и пр.). Это мера обилия популяции. Плотность характеризуется числом особей, приходящихся на единицу площади.
Первичной продуктивностью называется прирост биомассы растений за единицу времени на единице площади. Вторичной продуктивностью называется общая совокупность растительных и животных организмов, присутствующая в биогеоценозе в момент наблюдения. Взаимоотношения между организмами в экосистеме в процессе жизнедеятельности строятся на основе цепей питания, или трофических цепей. Исходным источником энергии всякой трофической цепи любого биогеоценоза является энергия Солнца. Первое звено всякой цепи питания представляют собой зеленые растения (продуценты), превращающие в процессе фотосинтеза световую энергию в энергию химических связей органических соединений. Такому превращению подвергается всего лишь 1 – 4% солнечной энергии, поступающей на Землю.
Второе звено составляют травоядные животные (первичные потребители, консументы), поедающие растения. Третье и последующие звенья трофической цепи – это плотоядные потребители, консументы. Только около 10% потребляемой энергии животные всех уровней тратят на построение своего тела (правило 10%), а остальные 90% энергии тратятся на процессы жизнедеятельности, а именно на обмен веществ, рост, дыхание, размножение, выделение…
Правило экологической пирамиды
-пирамиды чисел;
-пирамиды биомассы;
-пирамиды энергии.
Первые два типа экологических пирамид в водных системах из-за нарушения масштабов и скорости образования фито- и зоопланктонов могут быть перевернутыми. Пирамиды энергии перевернутыми не бывают. Важнейшим фактором, регулирующим численность популяции в биогеоценозе являются кормовые ресурсы. Обычно популяции насчитывают столько особей, сколько их может прокормить занимаемая территория. Эта структура складывалась в процессе эволюции и приводит к тому, что каждый вид занимает в экосистеме определенную нишу, т.е. место расположения данного вида в пространстве и в цепи питания. Совместное развитие нескольких видов на одной территории способствует их взаимоприспособливаемости, т.е. коадаптации, что является обязательным условием стабильности биогеоценоза. Плотность жизни и зональность в различных экосистемах определяется неравномерным распределением солнечной энергии, как по широте, так и по высоте над уровнем моря. Изобилие влаги и тепла в тропиках и субтропиках способствует большому разнообразию видов и чрезвычайной их плотности в этих широтах и наоборот, что имеет место в низких широтах. Распределение наземных растений обусловлено в основном климатом и составом почв ,а распределение животных – климатом и кормовой базой. Численность особей в популяции варьирует в зависимости от интенсивности размножения, гибели и миграций.
Каждый биогеоценоз при изменении климатических или других условий (лесной пожар, хозяйственная деятельность человека и пр.) может закономерно изменять свои сообщества. Смена биогеоценозов называется сукцессией, то есть направленная и непрерывная последовательность появления и исчезновения популяций разных видов в данном биотопе, которая происходит в направлении от менее устойчивых к более устойчивым.
Завершающее сообщество – устойчивое, самовозобновляющееся и находящееся в равновесии со средой называется климаксным сообществом. В природных условиях от момента появления первого (пионерского) до климатического сообщества проходят сотни и тысячи лет.
При анализе экосистем рассматривают (кроме продуктивности) круговорот углерода (С в воде и атмосфере – фотосинтез – сахара, протеиды, липиды и т.п. – питание – разложение – С), азота (N в воде, воздухе – корни в виде нитратов – питание – разложение – N); воды; P, S; биогенных элементов ( K, Na, Ca, Ma, P, Mn и др.)
Все организмы, взаимодействующие со средой, должны поддерживать динамическое равновесие – гомеостаз.
ПРАВИЛА (законы) биоэкологи во многом способствовали выработки и формулированию основных закономерностей глобальной экологии.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
1. Б. Коммонер (США): «все связано со всем». То есть то, что в данных условиях не растет, не питательно, в других условиях может быть очень полезно!
Например, Р. Эмерсон: «Что такое сорняк? Растение, достоинства которого еще не открыты». Непонимание этой закономерности приводит к катастрофическим и «диким» предложениям. Так, в 1894 г. Геолог Дж. Макги сказал: «Подчиняя себе диких животных, человек сохранит лишь тех, кто может быть приручен. Остальные должны быть уничтожены». В итоге, к 1970 г. в США охотниками было уничтожено 190 крупных млекопитающихся (рысей, волков, лисиц и др.)?
В Болгарии, для получения охотничьего билета в 70-х годах XX столетия, было необходимо ежегодно представлять комиссии шкурку лисицы, белки или норки и т.д. Это привело к нашествию в 1988 г. мышей и крыс на такие города, как София и Варна.
2. Жизнь может существовать только в процессе движения через живой организм потока веществ, энергии и информации, причем сам организм, выделяя в окружающую среду продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее, ухудшая условия и приближая их к непригодным для жизни. Или, по Б. Коммонеру: «нечего не дается даром».
3. По Б. Коммонеру: «все должно куда-то деваться». По В. Вернадскому: «ни один вид не может существовать в созданных им отходах». Постоянное существование организмов в ограниченном пространстве возможно только в экологических системах, внутри которых отходы жизнедеятельности одних видов организмов в основном утилизируются другими, а остатки не оказывают решающего действия на функционирование системы.
Для производственной деятельности человека выход – безотходность (малоотходность) производства.
4. Б. Коммонер: «Природа знает лучше!» Более подробно высказался Ю. Куражсковский: «Устойчивость экосистемы определяется соответствием их состава условиями окружающей среды и степенью развитости этих систем». В. Белинский считал, что «природа – вечный образец искусства», М. Монтень утверждал: «В природе нет ничего бесполезного».
Оценка качества экосистем
Академик С. Шварц, один из основоположников экологии человека, предложил оценивать качество биогеоценоза по пяти признакам: биомассе; продуктивности; помехоустойчивости; скорости обмена; резервированию.
БИОМАССА всех основных составляющих должна быть высокой и соотнесенной с остальными компонентами. Характерное для антропогенных систем преобладание фитомассы над зоомассой выражено не резко. Это обеспечивает синтез большого количества кислорода, продуктов животного и растительного происхождения.
ПРОДУКТИВНОСТЬ, т.е. выход продукции, умноженный на биомассу, достигает максимума. Это удовлетворяет потребности и сохраняет систему. Устойчивость биогеоценоза в широком диапазоне внешних условий, т.е. изменение загрязнения окружающей среды в возможных пределах НЕ ДОЛЖНЫ ПРИВОДИТЬ К ВЫВОДУ ИЗ СТРОЯ ЭКОСИСТЕМЫ.
Обмен веществ и энергии протекает с БОЛЬШОЙ СКОРОСТЬЮ, что при соблюдении других условий может обеспечить высокую скорость биологической очистки системы.
Способны экосистемы к БЫСТРОЙ ПЕРЕСТРОЙКЕ И ПРИСПОСОБЛЕНИЮ при изменении условий без потери других положительных качеств. Как правило, природные системы обладают большой возможностью эволюции, но она не всегда происходит быстро. Это огромное поле деятельности для человека, например, методы И.Ф. Мичурина.
Источники: Экология для технический вузов. 2001 г. Г. Ростов-на-Дону, изд. Феникс. Гарин В.М., Кленова И.А., Колесников В.И.
