- •Палеонтологические данные о происхождении человека
- •Основные этапы антропогенеза
- •Движущие силы антропогенеза
- •Человеческие расы
- •Организм и среда. Экологические факторы.
- •Действие экологических факторов на организмы. Ограничивающий фактор.
- •Абиотические факторы
- •Биотические факторы
- •Различные типы взаимодействий между организмами разных видов
- •Динамика численности популяций и их саморегуляция
- •Цепи питания и пищевые (трофические) сети
- •Связь потока энергии с цепями питания. Экологические пирамиды
- •Показатели, характеризующие биогеоценоз
- •Развитие экосистем
- •Устойчивость экосистем
- •Агроценозы
- •Функции живого вещества в биосфере
- •Биомасса гидросферы
- •Биомасса атмосферы.
- •Поток энергии и круговорот веществ в биосфере.
- •Круговорот азота.
- •Круговорот фосфора.
- •Антропогенные воздействия на атмосферу
- •Антропогенные воздействия на гидросферу
- •Антропогенные воздействия на литосферу
- •Антропогенные воздействия на биоту
- •Решение экологических проблем — создание ноосферы
Абиотические факторы
Среди абиотических факторов наибольшее экологическое значение имеют температура, влажность, солнечная радиация, так как они определяют климат.
Температура. Температура влияет на все процессы жизнедеятельности организма, определяя скорость обмена веществ. С повышением температуры на 10°С скорость обменных реакций возрастает в 2—3 раза. Верхняя граница нормального функционирования большинства организмов проходит ниже уровня температуры денатурации ферментов и не превышает 45-50°С. Если температура падает ниже точки замерзания, то в отсутствие специальных защитных механизмов живые организмы погибают в результате образования в их клетках кристаллов льда и обезвоживания. Оптимум температурного фактора для большинства организмов лежит в диапазоне температур от 10°С до 35°С. Однако, благодаря различным адаптациям, пределы выносливости к температурному фактору могут значительно расширяться. Межвидовые различия в этом отношении чрезвычайно велики. Например, некоторые виды бактерий могут существовать в горячих источниках при температуре 75—90 °С. Холодные воды арктических широт с температурой около 0°С населены разнообразными представителями водорослей, беспозвоночных и рыбами.
Все живые организмы используют два основных источника тепловой энергии: внешний (солнечная энергия и ее производные) и внутренний, связанный с протекающими в организме обменными реакциями, сопровождающимися выделением тепла, т. е. с жизнедеятельностью самих организмов. В процессе эволюции жизни происходило все большее усиление значения внутренних источников энергии. Одновременно с этим совершенствовались специальные механизмы терморегуляции, обеспечивающие необходимый уровень выработки и расходования тепловой энергии. В зависимости от постоянства температуры тела животные разделяются на две группы: пойкилотермные, или холоднокровные, и гомойотермные, или теплокровные.
При значительном отклонении температуры внешней среды от зоны оптимума пойкилотермные животные впадают в оцепенение. Они становятся неподвижными, прекращают питаться; газообмен и другие физиологические процессы у них резко замедляются. В таком неактивном состоянии эти животные могут пребывать в течение длительного времени, пока условия жизни для них остаются неблагоприятными.
Большинство животных, впадающих в оцепенение, способны к переохлаждению, т. е. к понижению температуры их тела ниже 0°С, без образования льда в тканях. Это достигается вследствие повышения осмотического давления внутренних жидкостей в результате прогрессирующего обезвоживания, а также за счет накопления веществ с холодозащитными свойствами (например, глицерина). Эти вещества, предотвращая образование кристаллов льда, могут понижать точку замерзания жидкостей до -20 °С. Благодаря ряду адаптации, некоторые пойкилотермные организмы могут выдерживать охлаждение до температуры ниже -70 °С Состояние временной обратимой остановки жизни, вызванное глубоким охлаждением, называется анабиозом.
Гомойотермные животные (птицы и млекопитающие) поддерживают внутреннюю температуру тела на относительно постоянном уровне, независимо от температуры окружающей среды; при этом они расходуют много энергии. Уровень обменных процессов у гомойотермных в 20—30 раз выше, чем у пойкилотермвых организмов таких же размеров. Постоянная температура тела гомойотермных животных, значения которой обычно находятся между 35 и 40°С, поддерживается благодаря интенсивному обмену веществ, совершенным механизмам теплорегуляции, а также хорошей теплоизоляции, создаваемой оперением, густым волосяным покровом или подкожным слоем жира.
В ходе эволюции животные выработали к изменениям температурных условий разнообразные адаптации: морфологические, физиологические, поведенческие и др. Морфологические адаптации, в частности, проявляются в том, что виды животных, обитающие в холодном климате, крупнее, чем особи близких видов, распространенные в более теплых районах.
Влажность. Вода относится к жизненно важным экологическим факторам, определяющим распространение и численность живых организмов. В водной среде протекают обменные реакции, транспортируются питательные вещества и продукты диссимиляции. Через водную пленку осуществляется поглощение кислорода и выделение углекислоты при дыхании. Изменение интенсивности испарения воды с поверхности тела животных служит одним из механизмов терморегуляции и т. п. Поэтому поддержание количества воды на достаточном уровне, вследствие неизбежных потерь ее в процессах жизнедеятельности, составляет одну из основных физиологических функций любого организма.
В связи с неравномерным выпадением осадков различают следующие природные зоны: засушливые (менее 250 мм/год), умеренные (250—750 мм/год) и влажные (более 750 мм/год).
В процессе эволюции животные и растения выработали разнообразные адаптации к условиям водного режима, которые отражаются на особенностях их внешней и внутренней организации. Растения пустынь, полупустынь и степей — ксерофиты имеют жесткие узкие листья с выраженным восковым налетом. У некоторых из них листья вовсе отсутствуют, и функцию фотосинтеза выполняют стебли. Часть ксерофитов приобрела развитую водозапасающую ткань и способность к экономному расходованию воды. Их листья превратились в колючки или чешуйки. Растения засушливых зон обычно имеют хорошо развитые и глубоко проникающие в землю корни с высоким, по сравнению с почвенным раствором, осмотическим давлением. Некоторые из ксерофитов выработали особые фенологические ритмы с кратким периодом вегетации, совпадающим с временем выпадения осадков. Засушливый период они переживают в виде семян, корневищ или клубней. Растения, приспособленные к влажным условиям, — гигрофиты, в отличие от ксерофитов, имеют большие листья и слабо развитую корневую систему.
Животные, обитающие в условиях засушливого климата, так же как и растения, в процессе эволюции выработали приспособления для защиты от обезвоживания, добывания и экономного расходования влаги. Многие из них, например ящерицы, грызуны, никогда не пьют, довольствуясь водой, содержащейся в пище, и могут использовать метаболическую воду, образующуюся при окислении жиров. Другие — обладают совершенными механизмами терморегуляции. Например, одногорбый верблюд почти не испаряет воду путем потоотделения, и в дневные часы температура его тела поднимается до 41 °С. Ночью он понижает ее до 34 °С, отдавая тепло путем излучения, теплопроводности и конвекции. Поэтому верблюд может переносить потери воды, равные 30% своей массы тела. Пустынные членистоногие имеют толстый, покрытый водонепроницаемой восковой пленкой хитин, предохраняющий от потери воды путем испарения. Многие организмы аридных зон в течение жаркого и сухого периода впадают в спячку, и жизненные процессы у них временно ослабляются.
Солнечная радиация. В спектре электромагнитного излучения солнца выделяют три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовые лучи (длина волны < 0,4 мкм), видимые лучи (0,4— 0,75 мкм) и инфракрасные лучи (>0,75 мкм).
Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,29 мкм губительны для всего живого. Благодаря наличию озонового слоя атмосферы, задерживающего это коротковолновое излучение, до поверхности Земли доходит лишь небольшая часть ультрафиолетовых лучей с длиной волны 0,3—0,4 мкм. Они обладают высокой химической активностью и в умеренных дозах оказывают благоприятное действие на организм человека и животных: усиливают обмен веществ и способствуют образованию витамина D. Видимые лучи, на долю которых приходится около 48% общего потока излучения, имеют особенно большое значение для организмов. Под действием видимых лучей осуществляется процесс фотосинтеза в растительных клетках. Фотосинтезирующие зеленые растения обеспечивают живые организмы органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией — источником жизни на Земле. Инфракрасные лучи, или тепловые лучи, с длиной волны более 750 нм служат важным источником энергии, повышают температуру окружающей среды и самих организмов. Они играют большую роль в жизнедеятельности растений: способствуют испарению воды растениями (транспирации), поступлению углекислого газа через устьица и др.
По отношению к свету различают три группы растений: светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые. Светолюбивые растения обитают на открытых местах в условиях хорошего солнечного освещения и плохо переносят даже небольшие затенения (луговые, степные травы, злаки и др.). Теневыносливые виды отличаются широкими пределами выносливости к световому фактору. Они хорошо растут как при сильном освещении, так и в условиях затенения. К ним относятся большинство растений лесов. Тенелюбивые растения произрастают только в условиях слабой освещенности при рассеянном свете (в основном это травы, живущие под пологом леса).
Интенсивность потока солнечной энергии имеет сезонные и суточные колебания. Они обусловлены вращением Земли и наклоном ее орбиты к плоскости вращения. Живые организмы выработали способность реагировать на изменение интенсивности света и соотношение дня и ночи, т. е. они обладают «биологическими часами», позволяющими им ориентироваться во времени. Биологические часы лежат в основе присущих растениям и животным сезонных и суточных ритмов. Сезонные ритмы — циклические изменения протекания биологических процессов (роста, развития, размножения и др.), связанные со сменой времени года. Главным фактором регуляции сезонных циклов у растений и животных служит изменение времени светового дня в течение года. Реакция организмов на суточные изменения длины светового дня называется фотопериодизмом. Особенно большую роль фотопериодизм играет в жизни растений, определяя начало и окончание вегетации, бутонизации, цветения, созревания семян и т. п. В тропиках многие растения адаптированы к световому дню продолжительностью менее 8—12 часов (растения «короткого дня»). В зоне умеренных широт преобладают растения «длинного дня», нормально вегетирующие при длине дня 16— 20 часов. Поэтому южные по происхождению растения (георгины, астры, гладиолусы) в умеренных широтах цветут осенью. Многие растения умеренных широт при выращивании в течение всего года в условиях длинного дня становятся вечнозелеными, и, наоборот, при освещении всего 10— 12 часов в сутки их рост даже летом прекращается, и они сбрасывают листья.
Сказывается влияние продолжительности дня и на жизнедеятельности животных. У них фотопериодизм определяет ритм размножения, осенние и весенние линьки, переход к зимней спячке, миграции и т. п. Например, у птиц умеренных широт созревание гонад, появление миграционных и гнездовых инстинктов совпадают с началом увеличения продолжительности светового дня. Искусственно изменяя его длину, у птиц можно вызвать перелетное состояние. Многим животным свойственна диапауза — период временного физиологического покоя, начало которого определяется, главным образом, уменьшением продолжительности дня. Она часто отмечается у насекомых на разных стадиях их развития. Во время имагинальной диапаузы у них прекращается развитие гонад и половых продуктов, повышается устойчивость особей к воздействию низких температур и высыханию. Таким образом, фотопериодизм, регулируя сезонные явления у разных видов организмов, помогает им выжить в конкретных условиях среды.
Условия освещения в течение суток определяют суточные ритмы живых организмов. Известны три вида суточной активности: дневная, ночная и круглосуточная, встречающаяся среди организмов, живущих в местах, укрытых от воздействия прямых солнечных лучей: личинки мух, жуков, некоторые виды полевок и др. В соответствии с суточными ритмами изменяются многие функции организма (секреция гормонов, деление клеток, частота сердечных сокращений и дыхания и т. д.), а также общее поведение животных (активность, откладка яиц и др.). Например, у человека насчитывается около 100 физиологических функций, имеющих суточные ритмы. Нарушение установившихся ритмов жизнедеятельности может снижать работоспособность, неблагоприятно влиять на здоровье человека. Поэтому исследования суточных биоритмов имеют большое значение для разработки мер по организации рационального режима труда и отдыха, а также методов предупреждения и лечения болезней.
Свет имеет большое значение в ориентации живых организмов. Двигательные реакции, в ответ на одностороннее действие светового раздражителя, свойственные свободно передвигающимся организмам (бактериям, некоторым водорослям и животным), называются фототаксисами. При этом движение может быть направлено к источнику света (положительный фототаксис) или от него (отрицательный фототаксис). Многим растениям присущи фототропизмы — направленные ростовые движения органов растений, вызванные односторонним воздействием света. Насекомые способны зрительно воспринимать ультрафиолетовые лучи и поляризованный свет, руководствуясь которым, они определяют направление полета в зависимости от положения солнца.