Ekologia_UP

33

По выражению выдающегося русского естествоиспытателя В. И. Вернадского, живое вещество биосферы является огромной геологической силой.

Живое вещество трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот (разд. 2.6.5.). Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросферы, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли. В. И. Вернадский писал: «Прекращение жизни было бы неизбежно связанно с прекращением химических изменений если не всей земной коры, то, во всяком случае, ее поверхности – лика Земли, биосферы».

Уровни организации живой материи биосферы. Живая си-

стема при всей сложности ее организации состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот (ДНК И РНК), белков, полисахаридов, а также других важных органических веществ. Следует подчеркнуть, что именно с молекулярного уровня начинаются разнообразные и чрезвычайно сложные процессы, лежащие в основе жизнедеятельности организма: обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др.

Клеточный уровень. Клетка не только структурная и функциональная единица любого живого организма, но и единица его развития. На клеточном уровне сопрягаются такие важнейшие процессы, как передача информации и превращение веществ и энергии.

Организменный уровень. Элементарной единицей организменного уровня является отдельная особь. Она рассматривается в развитии (от момента зарождения до прекращения существования) как живая система.

Популяционно-видовой уровень. Популяция как совокупность организмов одного вида, объединенных общим местом обитания, является уже надорганизменной структурой. Важно подчеркнуть, что именно в этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз – совокупность ор-

ганизмов разных видов и различной сложности организации во всем многообразии связей с факторами среды их обитания. В течение совместного исторического развития организмов разных систематических групп возникают динамичные, довольно устойчивые сообщества.

Биосферный уровень. Поскольку биосфера есть совокупность всех биогеоценозов, охватывающая все явления жизни, она является

34

высшим уровнем организации живой материи. На биосферном уровне происходят круговорот веществ и превращение энергии.

В. И. Вернадский обосновал необходимость направленного развития биосферы, необходимость анализа роли человека во всем этом процессе. В результате родилось учение, которое позднее (через четверть века) получило название «учение о ноосфере».

Ноосферой называют ту часть оболочки Земли, которая доступна активности человека, целенаправленному развитию под действием разума. Ноосфера – это сфера разума.

Смысл учения В. И. Вернадского состоит в следующем. Появление на Земле человека означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Активность человека многократно ускоряет ее эволюционные процессы, темпы которых растут по мере развития производительных сил, по мере технической вооруженности цивилизации. Дальнейшее неконтролируемое, ненаправленное развитие деятельности людей таит в себе опасности, которые даже трудно предвидеть.

Неизбежно наступит то время, когда дальнейшая эволюция планеты, а, следовательно, и человеческого общества, должна направляться разумом. Биосфера должна будет постепенно превратиться в ноосферу, которая находится не над биосферой, не вне ее, а является закономерным и неизбежным этапом развития самой биосферы. Либо дальнейшее развитие нашей планеты станет направляться человеческим интеллектом, либо цивилизация исчезнет с ее поверхности. Третьего пути нет. В этом и состоит суть учения Вернадского.

2.3Основы аутэкологии

2.3.1Организм как самовоспроизводящаяся

открытая система

Существенным свойством живого является обмен веществ,

энергии и информации.

Организм потребляет из окружающей среды энергию и вещества и использует их для жизненно важных реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и вещества, но уже в другой форме, менее пригодной для него. Организм выступает как открытая система, находящаяся в стационарном состоянии: скорость поступления в нее веществ и энергии из окружающей среды уравновешивается скоростью переноса веществ и энергии из си-

35

стемы. В основе последней находятся белки – носители большинства жизненных функций и нуклеиновые кислоты – носители информации. Живое вещество способно существовать только в потоке непрерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компонента прекращает жизнь организма.

Источниками энергии для живого вещества служат солнечная и другая тепловая радиация, пища, и контакты с более теплыми телами. Энергия живых организмов в процессе их жизнедеятельности подвергается многим превращениям, в частности преобразовывается в механическую, тепловую, световую, химическую, электрическую и в конце концов рассеивается в окружающем пространстве.

Вшироком и основном значении информация – это передача от одного живого объекта к другому различных сведений или иных воздействий, которые влияют на их жизнедеятельность.

Разнообразие организмов. Все живые организмы биосферы подразделяются на четыре царства: прокариоты (доядерные), животные, грибы и растения.

Прокариоты – это простейшие организмы, клетки которых не имеют истинного ядра. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли.

Животные, грибы и растения в своих клетках содержат настоящие ядра, которые отделены от цитоплазмы ядерной мембраной. Вследствие этого они выделены в надцарство эукариотов (ядерных).

Всвою очередь каждое царство эукариотов подразделяется на подцарства: 1) животные; 2) грибы; 3) растения.

По отношению в кислороду, присутствующему в среде, все животные делятся на аэробные (жизнедеятельность возможна только при наличии свободного кислорода) и анаэробные (обитают без кислорода).

Все разнообразие видов живых организмов биосферы связано между собой через питание. Так как питание, образно говоря, – красная нить экологии, весьма важна классификация живого вещества по его способам питания. При этом различают автотрофы и ге-

теротрофы (см. разд. 2.5.4).

2.3.2 Организм и среда

Организм является начальной, основной единицей обмена веществ. Именно с организма и начинается цепочка взаимоотношений живой материи, ее нельзя прервать ни на одном уровне. Очевидно,

36

что существует глубокая связь между организмом и окружающей средой.

Среда – комплекс тел и явлений, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. В широком смысле это материальные тела, явления и энергия, воздействующие на организм.

Существует значительное разнообразие объема значений слова «среда» в зависимости от степени конкретизации понятия. Так, внешняя среда рассматривается как совокупность сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любая деятельность человека (организма), находящаяся вне рассматриваемого объекта или субъекта и необязательно непосредственно контактирующая с ним. Понятие окружающая среда – совокупность компонентов природной среды, природных и природно-антропогенных объектов, а также антропогенных объектов. Различают также природную среду (сочетание естественных и измененных деятельностью человека факторов живой и неживой природы, которые проявляют эффект воздействия на организм), среду абиотическую (все силы и явления природы, происхождение которых прямо не связано с жизнедеятельностью ныне живущих организмов) и среду биотическую (силы и явления природы, которые обязаны своим происхождением жизнедеятельности ныне живущих организмов) (разд. 2.3.3).

Имеется и конкретное пространственное понимание среды, как непосредственного окружения организма – среда обитания. К ней относят только те элементы среды, с которыми данный организм вступает в прямые или непрямые отношения, т. е. это все то, среди чего он живет.

В земных условиях живые организмы освоили четыре основные среды обитания, сильно различающиеся по специфике условий. Первой по времени была водная среда, в которой возникла и распространилась жизнь. В дальнейшем живые организмы овладели наземно-воздушной средой, затем они создали и заселили почву. Четвертой специфической средой жизни стали сами организмы, тела которых использовались паразитами или симбионтами.

Необходимо подчеркнуть, что понятие «среда» не является синонимом понятия «условия существования». Последнее означает сумму жизненно необходимых факторов среды, без которых живые организмы не могут существовать.

Влияние среды на организм. Организм, испытывая потребность в притоке вещества, энергии и информации, полностью зависит от

37

среды. Уместно здесь привести закон, открытый российским ученым К. Ф. Рулье: результаты развития (изменений) любого объекта (организма) определяются соотношением его внутренних особенностей и особенностей той среды, в которой он находится. Этот закон,

иногда называемый первым экологическим законом жизни, имеет общее значение, так как в равной мере относится к живой и неживой материи, а также к социальной сфере.

Эволюционно возникшее приспособление организмов к условиям среды, выражающееся в изменении их внешних и внутренних особенностей, носит название адаптации.

Способность к адаптациям – одно из основных свойств жизни вообще, поскольку обеспечивает саму возможность ее существования, возможность организмов выживать и размножаться. При этом адаптации способны проявляться на самых разных уровнях: от биохимии клеток и поведения отдельных организмов до строения и функционирования сообществ и экосистем.

Резкое и быстрое изменение условий среды обитания может привести к тому, что генетический аппарат вида не сможет приспособиться к новым условиям жизни. Сказанное в полной мере относится и к человеку.

Влияние живых организмов на среду. Организмы и сами способны существенно воздействовать на среду. Так, их жизнедеятельность сильно влияет на газовый состав атмосферы. Это связано, в частности, с тем, что в результате фотосинтеза зеленых растений в атмосферу поступает кислород. Диоксид углерода, напротив, извлекается из атмосферного воздуха растениями и вновь поступает туда в процессе разложения остатков погибших организмов. Разлагая тела погибших организмов, бактерии, грибы и животные участвуют в образовании почвы. Именно жизнедеятельность организмов определяет содержание растворенных органических соединений и минеральных солей в природных водах. Укажем, что организмы, меняя химический состав среды, воздействуют и на ее физические свойства.

На предел воздействия организмов на среду обитания описывает другой экологический закон жизни (Ю. Н. Куражковский): каждый вид организмов, потребляя из окружающей среды необходимые ему вещества и выделяя в нее продукты своей жизнедеятельности, изменяет ее таким образом, что среда обитания становится непригодной для его существования.

Таким образом, организмы испытывают воздействие постоянно меняющихся условий среды, но и сами способны изменять эти условия.

38

2.3.3 Экологические факторы среды

Экологический фактор – это любое условие среды, способное оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм хотя бы на протяжении одной из фаз его индивидуального развития. В свою очередь, организм реагирует на экологический фактор специфическими приспособительными реакциями, т. е. адаптируется к ним.

Экологические факторы весьма разнообразны, имеют разную природу и специфику действия, они могут быть необходимы для организмов или, наоборот, вредны для них, могут способствовать или препятствовать выживанию и размножению. Их подразделяют на две категории: абиотические и биотические.

Абиотические факторы – это все свойства неживой природы, прямо или косвенно влияющие на живые организмы (свет, температура, радиация, давление, влажность воздуха, солевой состав воды, рельеф местности и т. д.).

Биотические факторы – это прямые и опосредованные формы воздействия живых существ друг на друга. Любой организм в реальных условиях постоянно испытывает на себе самое различное влияние других существ.

Втабл. 2 приведен один из вариантов классификации экологических факторов среды.

Впоследние годы антропогенные факторы, учитывая силу их воздействия, выделяют как отдельную категорию экологических факторов.

Существуют и другие подходы к классификации экологических факторов:

– по очередности (периодические: первичный, вторичный и непериодические);

– по времени (эволюционный и исторический);

– по происхождению (космический, абиотический, биогенный, биотический, биологический, природно-антропогенный, антропогенный);

– по среде возникновения (атмосферный, водный, геоморфологический, эдафический (эдафогенный), физиологический, генетический, популяционный, биоценотический, эко-системный, биосферный);

– по степени воздействия (летальный (приводящий живой организм к гибели), экстремальный, лимитирующий, беспокоящий, мута-

39

генный, тератогенный (приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития)).

Таблица 2

Классификация экологических факторов среды (Пономарева И. И., 1975 г.)

Абиотические факторы	Биотические факторы
Климатические: свет, температура, влага,	Фитогенные:
движение воздуха, давление	растительные организмы
Эдафогенные (от «эдафос» – почва):	Зоогенные:
механический состав, влагоемкость,	животные организмы
воздухопроницаемость, плотность
Орографические: рельеф, высота над	Микробиогенные: вирусы,
уровнем моря	простейшие, бактерии
Химические: газовый состав воздуха,	Антропогенные:
солевой состав воды, концентрация,	деятельность человека
кислотность и состав почвенных растений

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Так, сильный ветер в зимнее время весьма неблагоприятен для крупных животных, особенно обитающих открыто (лоси), но не действует на более мелких, обычно укрывающихся в норах или под снегом.

Ряд свойств среды остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени: сила тяготения, солнечная постоянная, солевой состав океана, свойства атмосферы. Другие экологические факторы (температура, влажность, ветер, хищники, паразиты и т. д.) изменчивы во времени и пространстве. При этом особенности среды обитания определяют, как уже указывалось, степень и характер изменчивости каждого из факторов. Так, например, температура меняется существенно на поверхности суши, но практически постоянна на дне океана или в глубине пещер.

А. С. Мончадский предложил оригинальную классификацию экологических факторов. Он исходил из того, что приспособительные реакции организмов к тем или иным факторам среды определяются степенью постоянства воздействия этих факторов, т. е. их периодичностью. С учетом вышеизложенного выделяются первичные и вторичные периодические факторы, а также непериодические факторы. К первичным периодическим факторам относят явления, связанные в основном с вращением Земли: суточная смена освещенности, смена времен года. Эти факторы, которым свойственна правильная перио-

40

дичность, действовали задолго до появления жизни на Земле и возникающие живые организмы должны были адаптироваться к ним.

Вторичные периодические факторы – следствие первичных периодических: например, влажность, температура, осадки, динамика растительной пищи (для животных), содержание растворенных газов в воде.

К непериодическим факторам относятся факторы, не имеющие правильной периодичности, цикличности. Таковы почвенно-грунто- вые факторы, разного рода стихийные явления. Уточним, что «непериодично» лишь само тело почвы, составляющие ее компоненты, но динамика таких свойств почвы, как влажность, температурный режим, может определяться первичными периодическими факторами и в свою очередь оказываться периодичной.

Антропогенное воздействие на среду проявляется, прежде всего, в изменении режима множества биотических и абиотических факторов, переходе их зачастую за те пределы, которые отвечают экологическим требованиям живых организмов. Это обстоятельство и послужило причиной исчезновения многих видов растений и животных с лица Земли.

2.3.4 Взаимодействие экологических факторов

Несмотря на многообразие влияния экологических факторов, можно выявить общий характер их воздействия на организм.

При небольших значениях или при чрезмерном воздействии фактора жизненная активность организма заметно угнетается. Наиболее эффективно действие фактора не при минимальных или максимальных его значениях, а при некотором его значении, оптимальном для данного организма. Диапазон действия, или зона толерантности (выносливости), экологического фактора ограничен соответствующими крайними пороговыми (критическими) значениями (точки минимума и максимума) данного фактора, при которых возможно существование организма (рис. 2). Точка на оси абсцисс, которая соответствует наилучшему показателю жизнедеятельности организма, означает оптимальную величину фактора – это точка оптимума. Так как определить оптимальное значение фактора с высокой точностью бывает трудно, говорят о диапазоне значений последнего – о зоне оптимума или зоне комфорта. Таким образом, три точки (оптимума, минимума и максимума) составляют три кардинальные точки, которые определяют возможные реакции организма на данный фактор. Крайние участки

41

кривой, выражающие состояние угнетения при недостатке или избытке фактора, называют зонами пессимума. Рядом с критическими точками лежат сублетальные величины фактора, а за пределами зоны толерантности – летальные значения фактора, при которых наступает гибель организма.

Рис. 2. Общая схема действия экологического фактора на живой организм: 1 – точка минимума; 2 – точка оптимума; 3 – точка максимума

Условия среды, в которых какой-либо фактор (или совокупность факторов) выходит за пределы зоны комфорта и оказывает угнетающее действие, в экологии часто называют экстремальными.

Рассмотренные выше закономерности воздействия экологических факторов на живые организмы и характер ответных реакций послед-

них известны как «правило оптимума».

Существование и выносливость организма часто оказываются чувствительными к двум или большему числу факторов окружающей среды. В таких случаях решающее значение будет принадлежать такому фактору или ресурсу, который имеется в минимальном, с точки зрения потребностей организма, количестве. Эта идея легла в основу так называемого закона минимума, сформулированного немецким химиком Ю. Либихом (1840 г.): выносливость организма определяется самым слабым звеном в системе его экологических потребностей.

Суть этого закона легко понять на таком примере. Величина урожая определяется количеством в почве того из элементов питания, потребность растения в котором удовлетворена меньше всего, т. е. данный элемент находится в минимальном количестве. Урожай будет

42

возрастать пропорционально вносимым дозам до тех пор, пока не окажется в минимуме другое вещество.

Выявление наиболее слабого звена цепи очень важно в экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Упомянутое правило позволяет рационально производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно, например, в процессе эксплуатации природных ресурсов, а также в сельском хозяйстве.

Из практики известно, что сам факт существования организма может определяться не минимальным значением, а, наоборот, избытком любого из факторов. Впервые мысль об этом высказал американский ученый В. Шелфорд (1913 г.); она легла в основу закона толерантности: лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

Смысл закона толерантности очевиден: все хорошо в меру. Уточним, что лимитирующими факторами называются все фак-

торы, уровень которых приближается к пределам выносливости организма или превышает их.

Таким образом, для организмов характерны экологический минимум и экологический максимум, они реагируют сходным образом на оба пессимальных значения фактора. Их выносливость к воздействиям в диапазоне между этими двумя величинами называют преде-

лом толерантности вида.

Поскольку экологические факторы динамичны во времени и пространстве, и даже в естественных условиях их режимы могут выходить за пределы толерантности конкретных особей или их группировок, то создаются условия, подавляющие нормальную жизнедеятельность организма вплоть до несовместимости с жизнью для всех или для наименее устойчивых индивидуумов. Так осуществляется естественный отбор. Если же экологические факторы антропогенного происхождения и их режимы выходят за пределы толерантности, то возникают условия массовой гибели организмов вплоть до геноцида.

Таким образом, качество окружающей среды характеризуется тем, что ни один из множества экологических факторов (известных или еще не выявленных) не выходит за пределы толерантности живого организма, т. е. не лимитирует его жизнедеятельность.