Экология и ее виды

Один  и тот же фактор среды имеет  разное значение в жизни совместно  обитающих организмов. Например, солевой  режим почвы играет первостепенную роль при минеральном питании  растений, но безразличен для большинства  наземных животных. Интенсивность освещения  и спектральный состав света исключительно  важны в жизни фототрофных растений, а в жизни гетеротрофных организмов (грибов и водных животных) свет не оказывает заметного влияния на их жизнедеятельность.

Экологические факторы действуют на организмы  по-разному. Они могут выступать  как раздражители, вызывающие приспособительные  изменения физиологических функций; как ограничители, обусловливающие  невозможность существования тех  или иных организмов в данных условиях; как модификаторы, определяющие морфологические  и анатомические изменения организмов.

 

 

2. Основные представления  об адаптации организма

 

Адаптация (от лат. «приспособление») – приспособление организмов к среде. Этот процесс охватывает строение и функции организмов (особей, видов, популяций) и их органов.

Адаптация всегда развивается под воздействием трех основных факторов – изменчивости, наследственности и естественного  отбора (равно как и искусственно – осуществляемого человеком).

Основные  адаптации организмов к факторам внешней среды наследственно  обусловлены. Они формировались  на историко-эвалюционном пути биоты и изменялись вместе с изменчивостью экологических факторов. Организмы адаптированные к постоянно действующим периодическим факторам, но среди них важно различать первичные и вторичные.

Первичные – это те факторы, которые существовали на Земле еще до возникновения  жизни: температура, освещенность, приливы, отливы и др. Адаптация организмов к этим факторам наиболее древняя  и наиболее совершенная.

Вторичные периодические факторы являются следствием первичных: влажность воздуха, зависящая от изменения температуры; растительная пища, зависящая от цикличности  в развитии растений; ряд биотических  факторов внутривидового влияния и  др. Они возникли позднее первичных  и адаптация к ним не всегда четка видна.

Периодические факторы обычно воздействуют катастрофически: могут вызывать болезни или даже смерть живого организма. Человек использовал  это в своих интересах, искусственно вводя непериодические факторы: введением химической отравы уничтожает вредные для него организмы: паразитов, вредителей сельхозкультур, болезнетворных бактерий, вирусов и т.п. Но оказалось, что длительно воздействие этого фактора также может вызвать к нему адаптацию: насекомые адаптировались к ДДТ, бактерии и вирусы – к антибиотикам и т.д.

Источником  адаптации являются генетические изменения  в организме – мутации, возникающие  как под влиянием естественных факторов на историко-эвалюционном этапе, так и в результате искусственного влияния на организм. Мутации разнообразны и их накопление может даже привести к дезинтеграционным явлениям, но благодаря отбору мутации и их комбинирование приобретают значение «ведущего творческого фактора адаптивной организации живых форм».

На историко-эвалюционном пути развития на организмы действуют абиотические и биотические факторы в комплексе.

Известны  как успешные адаптации организмов к этому комплексу факторов, так  и «безуспешные», т.е. вместо адаптации  вид вымирает.

Прекрасный  пример успешной адаптации – эволюция лошади в течении 60 млн. лет от низкорослого предка до современного и красивейшего быстроногого животного с высотой в холке до 1,6 м. Противоположный этому пример – вымирание мамонтов. Высокоаридный, субарктический климат последнего оледенения привел к исчезновению растительности, которой питались эти животные, кстати, хорошо приспособленные к низким температурам. Кроме того, высказываются мнения, что в исчезновении мамонтов «повинен» и первобытный человек, которому тоже надо было выжить: мясо мамонтов употреблялось ими в качестве пищи, а шкура – спасала от холода.

В приведенном  примере с мамонтами недостаток растительной пищи вначале ограничивал  количество мамонтов, а ее исчезновение привело к гибели. Растительная пища выступала здесь в виде лимитирующего  фактора. Эти факторы играют важнейшую  роль в выживании и адаптации.

 

3. Экологические группы организмов

 

В экологии организм рассматривается как целостная  система, взаимодействующая с внешней  средой, как абиотической, так и  биотической. В этом случае в наше поле зрения попадает такая совокупность, как биологический вид, состоящий из сходных особей, которые, тем не менее, как и индивидуумы отличаются друг от друга. Они точно так же непохожи, как непохож один человек на другого, тоже относящиеся к одному виду. Но всех их объединяет единый для всех генофонд, обеспечивающий их способность к размножению в пределах вида. Не может быть потомства от особей различных видов, даже близкородственных, объединённых в один род, не говоря уже о семействе и более крупных таксонах, объединяющих ещё более «далёких родственников».

Поскольку каждый отдельный индивид (особь) имеет  свои специфические особенности, то и отношение их к состоянию среды, к воздействию её факторов различное. Например, повышение температуры часть особей может не выдержать и погибнуть, но популяция всего вида выживает за счёт других, более приспособленных.

Популяция – это совокупность особей одного вида. Генетически обычно добавляют как обязательный момент – способность этой совокупности к самовоспроизведению. Экологи же, учитывая обе эти особенности, подчеркивают некую изолированность в пространстве и во времени аналогичных совокупностей одного и того же вида.

Изолированность в пространстве и во времени аналогичных  популяций отражает реальную природную  структуру биоты. В реальной природной среде многие виды рассеяны на огромных пространствах, поэтому изучать приходится некую видовую группировку в пределах определённой территории.

Некоторые из группировок достаточно хорошо приспосабливаются  к местным условиям, образуя так  называемый экотип. Эта даже небольшая группа особей, связанных между собой генетически, может дать начало небольшой популяции, причём весьма устойчивой достаточно длительное время. Этому способствуют адаптивность особей к абиотической среде, внутривидовая конкуренция и др.

Однако  настоящих одновидовых группировок  и поселений в природе не существует, и мы обычно имеем дело с группировками, состоящими из многих видов. Такие группировки  называются биологическими сообществами, или биоценозами.

Биоценоз – совокупность совместно обитающих популяций разных видов микроорганизмов, растений и животных.

Термин  «биоценоз» впервые применил Мебиус (1877), изучая группу организмов устричной  банки, т.е. с самого начала это сообщество организмов было ограничено неким «географическим» пространством, в данном случае границами отмели. В дальнейшем это пространство было названо биотопом, по которым понимаются условия окружающей среды на определённой территории: воздух, вода, почвы и подстилающие их горные породы. Именно в этой окружающей среде существуют растительность, животный мир и микроорганизмы, составляющие биоценоз.

Понятно, что компоненты биотопа не просто существуют рядом, а активно взаимодействуют  между собой, создавая определённую биологическую систему – биогеоценоз. В этой системе совокупность абиотических и биотических компонентов имеет  «…свою, особую специфику взаимодействий»  и «определённый тип обмена веществами и энергией их между собой и  другими явлениями природы и  представляющие собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся  в постоянном движении, развитии».

Особое  значение для выделения экосистем  имеют трофические, т.е. пищевые, взаимоотношения  организмов, регулирующие всю энергетику биотических сообществ и всей экосистемы в целом.

Прежде  всего все организмы делятся на две большие группы – автотрофов и гетеротрофов.

Автотрофные (доядерные организмы - прокариоты) организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым, создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зелёные растения суши и водной среды, синезеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии и др.

Гетеротрофные (ядерные организмы - эукариоты) организмы потребляют только готовые органические вещества. К ним относятся все животные и человек, грибы и др. Гетеротрофы, потребляющие мёртвую органику, называются сапрофитами (например, грибы), а способные жить и развиваться в живых организмах за счёт живых тканей – паразитами (например, клещи).

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они  вступают между собой в сложные  трофические взаимодействия, тем  самым выполняя важнейшие экологические  функции в биотических сообществах. Одни из них производит продукцию, другие потребляют, третьи – преобразуют её в неорганическую форму. Их называют соответственно: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты  – производители продукции, которой  потом питаются все остальные  организмы, - это наземные зелёные  растения, микроскопические морские  и пресноводные водоросли, производящие органические вещества из неорганических соединений.

Консументы – это потребители органических веществ. Среди них есть животные, употребляющие только растительную пищу - травоядные (корова), плотоядные (хищники), а также употребляющие и то и другое – «всеядные» (человек, медведь).

Редуценты (деструкторы) – восстановители. Они возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (например, на CO_2., NO₂ и H₂O). Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они тем, самым, завершают биохимический круговорот. Это делают в основном бактерии, большинство других микроорганизмов и грибы. Редуценты функционально это те же самые консументы, поэтому их часто называют микроконсументами.

 

4. Лимитирующие факторы. Законы  минимума, максимума, толерантности

обитание  экологический адаптация толерантность

На организм действует множество экологических  факторов. Если концентрация факторов приближается к пределам устойчивости к нему организма, то такой фактор становится лимитирующим.

Впервые на значение лимитирующих факторов указал немецкий агрохимик Ю.Либих в  середине 19 века. Экспериментируя с  химическими удобрениями, заметил, что ограничение дозы любого из них  оказывает одинаковое влияние на растение – приводит к замедлению его роста, угнетению. Он установил «закон минимума»: если в ряду большого числа факторов, влияющих на организм, какой-либо находится в дефиците (минимуме), то именно он становится определяющим (лимитирующим) для организма.

Действие  данного закона ограничивают два  принципа. Первый: закон Либиха строго применим только в условиях стационарного  состояния. Более точная формулировка: «при стационарном состоянии лимитирующим будет то вещество, доступные количества которого наиболее близки к необходимому минимуму». Второй принцип касается взаимодействия факторов. Высокая концентрация или доступность некоторого вещества может изменять потребление минимального питательного вещества. Организм иногда заменяет одно, дефицитное вещество другим, имеющимся в избытке. Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток факторов, таких как тепло, свет, влажность. Представление о лимитирующем влиянии максимума, наравне с минимумом ввёл В. Шелфорд, и оно носит название «закон максимума».

Что касается закона минимума Ю.Либиха, то он имеет  ограниченное действие и только на уровне химических веществ. Р.Митчерлих показал, что урожай зависит от совокупного действия всех факторов жизни растений, включая сюда температуру, влажность, освещённость и т.д.

Различия  в совокупном и изолированном  действиях относятся и к другим факторам. Например, действие отрицательных  температур усиливается ветром и  высокой влажностью воздуха, но, с  другой стороны, высокая влажность  ослабляет действие высоких температур, и т.д. Но несмотря на взаимовлияние факторов, всё-таки они не могут заменить друг друга, что и нашло отражение в законе независимости факторов В.Р.Вильямса: условия жизни равнозначны, ни один из факторов жизни не может быть заменён другим. Например, нельзя действие влажности (воды) заменить действием углекислого газа или солнечного света и т.д.

Наиболее  полно и в наиболее общем виде всю сложность влияния экологических  факторов на организм отражает закон толерантности В.Шелфорда: отсутствие или невозможность процветания определяется недостатком (в качественном или количественном смысле) или, наоборот, избытком любого из ряда факторов, уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмом. Эти два предела называют пределами толерантности.

Уровень толерантности отдельного организма  зависит от его возраста, здоровья, физиологического состояния, генотипа (например, толерантность к спиртному). К постепенно изменяющимся условиям можно адаптироваться (привыкнуть).

Относительно  действия одного фактора можно проиллюстрировать  этот закон так: некий организм способен существовать при температуре от -5⁰С до + 25⁰С, т.е. диапазон его толерантности лежит в пределах этих температур.

Диапазон  толерантности – амплитуда колебаний  различных факторов (температура, влажность, свет) при которой существует полноценный  рост популяций (рис. 2)