Выводы:

Таким образом, выделяют основные уровни организации живых систем от молекулярного до биосферного, где каждый уровень характеризуется определенной совокупностью свойств и экология изучает начиная с организменного уровня. Живым организмам присуще свойство – способность к самовоспроизведению, а также приспособляемость к условиям окружающей среды. Среда каждого организма слагается из множества элементов неорганической и органической природы.

Контрольные вопросы

1. Какие уровни биологической организации являются объектами изучения экологии?

2. Что такое среда обитания, и какие среды заселены организмами?

3. Почему следует говорить о зависимости живых существ не только от окружающей среды, но и об их влиянии на нее?

4. Что способствует выживанию вида?

5. Перечислите основные среды обитания?

6. Почему некоторые организмы впадают в состояние анабиоза? В чем экологический смысл этого процесса?

Методические рекомендации к лекции

Для усвоения материала лекции необходимо хорошо представить схему уровней биологической организации, которая отражает иерархию природных систем, где свойства каждого отдельного уровня значительно сложнее и многообразнее предыдущего. Обязательно нужно учесть, что экология изучает уровни организации начиная от организмов до биосферы, где организм рассматривается как целостная система, взаимодействующая с внешней средой. Для правильного понимания взаимодействий организма со средой преподаватель заостряет внимание студентов на следующие моменты: организм обладает способностью к самовоспроизведению, причем численность видов в природе достигает определенных пределов; живым организмам присущи движение и наследственность, а также приспособляемость к условиям существования – адаптация. В процессе изучения понятия адаптации студенты должны усвоить, что организмы взаимодействуя с окружающей средой обитания приобретают выгодные признаки, обеспечивающие ему наиболее оптимальные условия для жизни, и уметь подкрепить это положение примерами: на лугу много злаков и бобовых, их корневые системы располагаются на разных уровнях; в лесу растут теневыносливые травянистые растения и т.д.

Лекция № 3 -Экологические факторы

Цель лекции: дать понятие об экологических факторах, их разнообразии, классификации, об основных законах экологии и разъяснить значимость этих законов для правильного понимания взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

План лекции:

1. Понятие о факторах среды

2. Классификация экологических факторов.

3. Законы экологии.

4. Влияние абиотических факторов на живые организмы

Основные понятия: экологический фактор, абиотический фактор, биотический фактор, антропогенный фактор, гелиофиты, эврибионтность, стенобионтность, экологические законы оптимума, Либиха, толерантности, Коммонера, пессимум, критические точки, лимитирующий фактор, экстремальное условие.

Любой элемент окружающей среды, способный прямо или косвенно влиять на живой организм, хотя бы на одном из этапов его индивидуального развития, называют экологическим фактором. Фактор (от лат. factor — делающий, производящий) — движущая сила, причина какого-либо процесса, явления. Под экологическими факторами понимается условия среды, на которые организмы реагирует приспособительными реакциями, или адаптациями, так же важным свойствам экологического фактора является его нерасчленяемость на более простые элементы среды. За пределами приспособительных реакций лежат летальные (гибельные для организмов) значения факторов. Действие экологического фактора может быть не прямым, а посредственным, т.е. в этом случае он воздействует через многочисленные причинно-следственные связи. Любой организм в окружающей среде подвергается воздействию огромного числа экологических факторов. Экологические факторы многообразны, при этом каждый фактор является совокупностью соответствующего условия среды и его ресурса. Экологически выносливые виды называют эврибионтными (eyros – широкий), маловыносливые – стенобионтными (stenos –узкий). Эврибионтность и стенобионтность характеризуют различные типы приспособления организмов к выживанию. Так, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы; к концентрации солей – эври- и стенгалинные; к свету - эври- и стенофотные; к видам пищи –эври- и стенофагные. Эврибионтность обычно способствует широкому распространению видов. Как известно, многие простейшие, грибы (типичные эврибионты) являются космополитами и распространены повсеместно. Стенобионтность же обычно ограничивает ареалы.

Экологические факторы среды подразделяются на три группы: абиотические или абиогенные - факторы косной (неживой) природы; биотические или биогенные .- факторы живой природы; антропогенные – факторы, порожденные человеком и воздействующие на окружающую среду. Факторы неживой природы или абиотические факторы- это комплекс условий окружающей среды, влияющих на живой организм. К ним относятся климатические, атмосферные, почвенные (эдафические), геоморфологические (орографические), гидрологические и др. Факторы живой природы или биотические - это влияние одних организмов или их сообществ на другие. Эти влияния могут быть со стороны растений (фитогенные), животных (зоогенные), микроорганизмов, грибов и т.п. Антропогенные факторы – это совокупность влияний деятельности человека на окружающую среду. В их числе различают прямое влияние на организмы (например, промысел) и косвенные - влияние на местообитание (например, загрязнение среды, уничтожение кормовых угодий, строительство плотин на реках и т.п).

Экологические факторы динамичны, изменчивы во времени и пространстве. Теплое время года регулярно сменяется холодным, в течение суток наблюдается колебание температуры и влажности, день сменяет ночь и т. п. Все это природные (естественные) изменения экологических факторов, однако в них может вмешиваться человек. Антропогенное влияние на природную среду проявляется в изменении либо режимов экологических факторов (абсолютных значений или динамики), либо состава факторов (например, разработка, производство и применение не существовавших ранее в природе средств защиты растений, минеральных удобрений и др.). В комплексе действия факторов можно выделить некоторые закономерности, которые являются в значительной мере универсальным (общими) по отношению к организмам, к таким закономерностям относятся закон оптимума, закон взаимодействия факторов, закон лимитирующих факторов и некоторые другие.

Закон оптимума выражается в том, что любой экологический фактор имеет определенные пределы положительного влияния на живые организмы. В соответствии с этим правилом для экосистемы, организма или определенной стадии его развития имеется диапазон наиболее благоприятного (оптимального) значения фактора. За пределами зоны оптимума лежат зоны угнетения –зоны пессимума –это условия при которых жизнедеятельность организма максимального угнетается, но он еще может существовать, как показано на рис. При пересечении кривой с горизонтальной осью находятся две критические точки. Это такие значения фактора, которые организмы уже не выдерживают, за пределами наступает смерть. Расстояние между критическими точками показывает степень выносливости организмов к изменениям фактора. Условия, близкие к критическим точкам, особенно тяжелы, для выживания. Такие условия называют экстремальными.

К зоне оптимума обычно приурочена максимальное количество видов и плотность популяции. Зоны оптимума для различных организмов неодинаковые. Для одних они имеют значительный диапазон. Такие организмы относится к группе эврибионтов (греч. эури- широки). Организмы с узким диапазоном адаптации к фактором называются стенобионтами (греч. стенос-узкий). Например, растение недотрога вянет6 если воздух не насыщен водяными парами, в ковыль хорошо переносит изменения влажности и н не погибает даже в засуху; чем больше значения факторов удаляются от оптимальных, тем меньше видов может приспособиться к жизни в таких условиях. Например, на дне самых глубоководных океанических впадин, давление достигает более 1000 атмосфер, обнаружено всего около 20 видов многоклеточных животных, на глубинах в 6 км – 140, а в поверхностных слоях океанов многие тысячи видов.

Закон минимума Либиха. Любому живому организму необходимы не вообще температура, влажность, минеральные и органические вещества или какие-нибудь другие факторы, а их определенный режим. Реакция организма зависит от количества (дозы) фактора. Кроме того, живой организм в природных условиях подвергается воздействию многих экологических факторов (как абиотических, так и биотических) одновременно. Растения нуждаются в значительных количествах влаги и питательных веществ (азот, фосфор, калий) и одновременно в относительно «ничтожных» количествах таких элементов, как бор и молибден. Любой вид животного или растения обладает четкой избирательностью к составу пищи: каждому растению необходимы определенные минеральные элементы. Любой вид животного по-своему требователен к качеству пищи. Для того чтобы нормально существовать, развиваться, организм должен иметь весь набор необходимых факторов в оптимальных режимах и достаточных количествах. Тот факт, что ограничение дозы (или отсутствие) любого из необходимых растению веществ, относящихся как к макро-, так и к микроэлементам, ведет к одинаковому результату — замедлению роста, обнаружен и изучен одним из основополож­ников агрохимии немецким химиком Юстасом фон Либихом. Сформулированное им в 1840 г. правило называют законом минимума Либиха: величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в ко­тором удовлетворена меньше всего. Закон минимума Либиха в настоящее время называется законом ограничивающего лимитирующего фактора: в комплексе экологических факторов сильнее действует тот, который наиболее близок и пределу выносливости.

Закон минимума справедлив как для растений, так и для животных, включая человека, которому в определенных ситуациях приходится употреблять минеральную воду или витамины для компенсации недостатка каких-либо элементов в организме.

Закон лимитирующих факторов Шелфорда. Фактор среды ощущается организмом не только при его недостатке. Проблемы возникают также и при избытке любого из экологических факторов. Например, жизненная активность организма заметно угнетается и при малых значениях и при чрезмерном воздействии такого абиотического фактора, как температура.

Фактор среды наиболее эффективно действует на организм только при некотором среднем его значении, оптимальном для данного организма. Чем шире пределы колебаний какого-либо фактора, при котором организм может сохранять жизнеспособность, тем выше устойчивость, т. е. толерантность данного организма к соответствующему фактору (от лат. tо1еrапtа — терпение). Таким образом, толерантность - это способность организма выдерживать отклонения экологических факторов от оптимальных для его жизнедеятельности значений.

Впервые предположение о лимитирующем (ограничивающем) влиянии максимального значения фактора наравне с минимальным значением было высказано в 1913 г. американским зоологом В. Шелфордом, установившим фундаментальный биологический закон толерантности: любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний пределы устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору. Другими словами лимитирующим фактором процветания может быть как минимум, так и максимум экологического фактора, диапазон между которыми определяет величну толерантности, выносливости организма к данному фактору. Поэтому экологический фактор, уровень которого приближается к любой границе диапазона выносливости организма или заходит за эту границу, называют лимитирующим фактором. Например, виды, длительное время развивается в относительно стабильных условиях утрачивают экологическую пластичность и вырабатывают черты стенобиотности, в то время как виды существующие при значительных колебаних, факторов среды, приобретают повышенную экологическую пластичность и становятся эврибионтными.

Другая формулировка закона В. Шелфорда поясняет, почему закон толерантности одновременно называют законом лимитирующих факторов: закон толерантности дополняют положения американского эколога Ю. Одума:

- организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного экологического фактора и низкий диапазон в отношении другого;

- организмы с широким диапазоном толерантности в отношении всех экологических факторов обычно наиболее распространены;

- диапазон толерантности может сузиться и в отношении других экологических факторов, если условия по одному экологическому фактору не оптимальны для организма;

Законы Б.Коммонера. Б. Коммонер (1974) выдвинул ряд положений, которые сегодня называют законами экологии: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться; 3) природа «знает» лучше; 4) ничто не дается даром.

Первый закон «все связано со всем» отражает существование сложнейшей сети взаимодействий в экосфере. Он предостерегает человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что может привести к непредвиденным последствиям.

Второй закон «все должно куда-то деваться» вытекает из фундаментального закона сохранения материи. Он позволяет по-новому рассматривать проблему отходов материального производства. Огромные количества веществ извлечены из Земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде без учета того факта, что «все куда-то девается». И как результат – большие количества веществ зачастую накапливаются там, где по природе их не должно быть.

Третий закон «природа знает лучше» исходит из того, что «структура организма нынешних живых существ или организмов современной природной экосистемы – наилучшие в том смысле, что они были тщательно отобраны из неудачных вариантов и что любой новый вариант, скорее всего, будет хуже существующего ныне». Этот закон призывает к тщательному изучению естественных био-и экосистем, сознательному отношению к преобразующей деятельности. Без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее «улучшения».

Четвертый закон «ничто не дается даром», по мнению Б.Коммонера, объединяет предшествующие три закона, потому что биосфера как глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которой ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения; все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен.

В абиотической части среды обитания (в неживой природе) все факторы прежде всего можно разделить на физические и химические. Однако для понимания сути рассматриваемых явлений и процессов абиотические факторы удобно представить совокупностью климатических, топографических, космических факторов, а также характеристик состава среды (водной, наземной или почвенной) и др.

Свет является одним из важнейших абиотических факторов, особенно для фотосинтезирующих зеленых растений. В свое время французский астроном Камиль Фламмарион писал: «Мы об этом не думаем, но все, что ходит, двигается, живет на нашей планете, есть дитя Солнца».Только на свету осуществляется важнейший в биосфере процесс – фотосинтез. Свет влияет на скорость роста и развития растений, на интенсивность фотосинтеза, на активность животных, вызывает изменение влажности и температуры среды, является важным фактором, обеспечивающим суточные и сезонные биологические циклы. Каждые местообитание характеризуется определенным световым режимом, определяемым интенсивностью (силой), количеством и качеством света. Интенсивность света измеряется энергией, приходящейся на единицу площади в единицу времени; количество света определяется суммарной радиацией.

По отношению к свету как экологическому фактору различают следующие группы растений: гелиофиты, сциофиты и факультативные гелиофиты. Гелиофиты (светолюбивые) – обитают на открытых местах с хорошей освещенностью и в лесной зоне встречаются редко (подсолнечник, козлобородник и др). Сциофиты (теневые растений) – не выносят освещения и живут под пологом леса в постоянной тени (лесные травы, папоротники, мхи). Факультативные гелиофиты (теневыносливые) – могут жить при хорошем освещении, но легко переносят и затемненные места (большинство растений лесов, луговые растения, кустарники)

Наибольшее значение свет как средство ориентации имеет в жизни животных. Среди животных различают дневные, ночные и сумеречные виды. Имеются также виды, живущие в постоянной темноте и не выносящие яркого солнечного света (почвенные животные, обитатели пещер и больших глубин, внутренние паразиты животных и растений).

Одним из наиболее важных факторов, определяющих существование развитие и распространение организмов является температура. Важно не только абсолютное количество тепла, по и его временное распределение, т.е. тепловой режим. Растения не обладают собственной температурой тела: их анатомо – морфологические и физиологические механизмы терморегуляции направлены на защиту организма от вредного воздействия температур. К физиологическим приспособлениям растений, сглаживающим вредные влияние высоких и низких температур, можно отнести: интенсивность испарения – транспирацию, накопление в клетках солей хлорофилла препятствовать проникновению солнечных лучей.

Температура главным образом связана с солнечным излучением, но в ряде случаев определяется энергией геотермальных источников. При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40—45 °С. В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 °С. Значительная часть организмов способна контролировать (поддерживать) температуру тела, причем в первую очередь наиболее жизненно важных органов. Такие организмы называют гомойотермными — теплокровными (от греч. homoios — подобный, therme — теплота) (млекопитающие, птицы),в отличие от пойкилотермных — холоднокровных (от греч. poikilos — различный, переменчивый, разнообразный), имеющих непостоянную температуру, зависящую от температуры окружающей среды (растения, земноводные)

Организмы, для жизни которых требуется условия, ограниченные узким диапазоном толерантности по величине температуры, называют стенотермными, а способных жить в широком диапазоне температур –эвритермными.

Вода обязательна для жизни на Земле, в экологическом плане она уникальна. Вода является важнейшим экологическим фактором в жизни живых организмов и их постоянной составной частью. По отношению к водному режиму выделяют следующие экологические группы растений и животных: влаголюбивые, сухолюбивые и предпочитающие умеренную влажность. В зависимости от способов адаптации растений к влажности выделяют несколько экологических групп: гидатофиты – водные растения, целиком или большей частью своей погруженные в воду (ряска, элодея); гидрофиты – наземно-водные растения, погруженные в воду только нижними частями (стрелолист, частуха); гигрофиты — наземные растения, живущие в очень влаж­ных почвах и в условиях повышенной влажности; мезофиты — переносят незначительную засуху (древесные растения различных климатических зон, травянистые растения дубрав, большинство культурных растений ); ксерофиты — растения сухих степей и пустынь, способные накапливать влагу в мясистых листьях и стеблях —суккуленты (алоэ, кактусы ), а также обладающие большой всасывающей силой корней и способные снижать транспирацию с узкими мелкими листьями — склерофиты. Среди наземных животных различают: гидрофилы – влаголюбивые животные (мокрицы, комары, наземные молюски); мезофилы – обитают в районах с умеренной влажностью (многие насекомые, птицы, млекопитающие); ксерофилы – это сухолюбивые животные, не переносящие высокой влажности (верблюди, пустынные грызуны, пресмыкающиеся).

Эдафические факторы – это свойства почвы как экологический фактор, оказывающий воздействие на животные организмы, живущие в них и на корневую систему растений. Очень важный фактор для многих животных и растений – реакция среды (рН). Засоленными называют почвы с избыточным содержанием водорастворимых солей (хлоридов, сульфатов, карбонатов). Флора и фауна засоленных почв весьма специфична. Растения здесь устойчивы не только к концентрации, но и к составу солей, но разные растения приспособлены по разному. Солеустойчивые растения – галофиты, например солерос может выдержать концентрацию солей свыше 20 %, а в тоже время дождевые черви даже при невысокой степени засоления длительный срок выдержать его не могут.

Топографические факторы

Рельеф относится к орографическим факторам и тесно связана с другими абиотическими факторами, хотя и не принадлежащим к таким прямодействующим экологическим факторам, как свет, тепло, вода и почва. Главным топографическим (орографическим) фактором является высота.

Основной топографический фактор — высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, увеличивается суточный перепад температур, возрастает количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижается давление. Рельеф местности — один из главных факторов, влияющих на перенос, рассеивание или накопление примесей в атмосферном воздухе.

Выводы

Таким образом, живые организмы воздействие среды воспринимают через посредство факторов среды, которые называются экологическими. Экологические факторы – это определенные условия и элементы среды, которые оказывают специфическое воздействие на организм. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Один и тот же фактор на разные организмы может оказывать оптимальное воздействие при различных значениях. Интенсивность экологического фактора, наиболее благоприятная для жизнедеятельности организма, называется оптимумом, а дающая наихудший эффект – пессимумом. Способность организмов выносить отклонения значений экологических факторов называется толерантностью, которая может иметь к разным фактором не одинаковый диапазон диапазон выносливости (терпимости).Организм может иметь приспособленность к узкому диапазону одного фактора и широкому диапазону – другого свойство видов адаптироваться к тому или иному диапазону факторов среды называется экологической пластичностью.

Контрольные вопросы

1. Как называют совокупность факторов неорганической среды? Дайте характеристику этих факторов.

2. Как называются факторы, ограничивающие развития организма?

3. Что понимается под диапазоном толерантности?

4. Как влияет температура на жизнь растений и животных?

5. Выделите экологические группы растений и животных в зависимости от способов адаптации их к влаге.

6. Почему принято говорить о единстве организма и среды?

7. Дайте определения закона лимитирующих факторов.

8. Сформулируйте закон толерантности. Кто установил эту закономерность?

9. Приводите примеры использования законов минимума и толерантности в практической деятельности.

10.Приведите примеры стенобионтных и эврибионтных организмов.