) и антропогенные (деятельность человека).
Лимитирующим фактором развития растений является элемент, которого лежит в минимуме. Это определяется законом, называемым законом минимума Ю.Либиха (1840). Либих, химик-органик, один из основоположников , выдвинул теорию минерального питания растений. Урожай культур часто лимитируется элементами питания, присутствующими не в избытке, такими как СО 2 и Н 2 О, а теми, которые требуются в ничтожных количествах. Например: - необходимый элемент питания растений, но его мало содержится в почве. Когда его запасы исчерпываются в результате возделывания одной культуры, то рост растений прекращается, если даже другие элементы находятся в изобилии. Закон Либиха строго применим только в условиях стационарного состояния. Необходимо учитывать и взаимодействие факторов. Так, высокая или доступность одного или действие другого (не минимального) фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в минимальном количестве. Иногда способен заменять (частично) дефицитный элемент другим, более доступным и химически близким ему. Так, некоторым растениям нужно меньше , если они растут на свету, а моллюски, обитающие в местах, где есть много , заменяют им частично при построении раковины.
Экологические факторы среды могут оказывать на живые воздействия разного рода:
1) раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций (например, повышение ведет к увеличению потоотделения у млекопитающих и к охлаждению тела);
2) ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях (например, недостаток влаги в засушливых районах препятствует проникновению туда многих );
3) модификаторы, вызывающие анатомические и морфологические изменения (например, запыленность в индустриальных районах некоторых стран привела к образованию черных бабочек березовых пядениц, сохранивших свою светлую окраску в сельских местностях);
4) сигналы, свидетельствующие об изменении других факторов среды.
В характере воздействия экологических факторов на выявлен ряд общих закономерностей.
Закон оптимума - положительное или отрицательное влияние фактора на - зависит от силы его воздействия. Недостаточное или избыточное действие фактора одинаково отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Благоприятная сила воздействия экологического фактора называется зоной оптимума. Одни виды выносят колебания в широких пределах, другие - в узких. Широкая к какому-либо фактору обозначается прибавлением частицы «эври», узкая - «стено» (эвритермные, стенотермные - по отношению к , эвриотопные и стенотопные - по отношению к местам обитания).
Неоднозначность действия фактора на разные функции. Каждый фактор неоднозначно влияет на разные функции . Оптимум для одних процессов может быть неблагоприятным для других. Например, более 40°С у холоднокровных животных увеличивает интенсивность обменных процессов в , но тормозит двигательную , что приводит к тепловому оцепенению.
Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости по отношению к какому-либо из факторов среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одновременно другие факторы. Так, жару легче переносить в сухом, а не во влажном . Угроза замерзания выше при морозе с сильным ветром, нежели в безветренную погоду. Вместе с тем взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы и полностью заменить один из них другим нельзя. Дефицит тепла в полярных областях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью в летнее время. Для каждого вида животных необходим свой набор экологических факторов.
Воздействие химического компонента абиотического фактора на живые . Абиотические факторы создают условия обитания растительных и животных и оказывают прямое или косвенное влияние на жизнедеятельность последних. К абиотическим факторам относят элементы неорганической природы: материнская почвы, химический состав и последней, солнечный свет, теплота, и ее химический состав, его состав и , барометрическое и водное , естественный радиационный фон и др. Химическими компонентами абиотических факторов являются питательные , следы элементов, и , ядовитые , кислотность (рН) среды.
Влияние рН на выживаемость организмов-гидробионтов. Большинство не выносят колебаний величины рН. у них функционирует лишь в среде со строго определенным режимом кислотности-щелочности. водородных во многом зависит от карбонатной системы, которая является важной для всей и описывается сложной системой , устанавливающихся при в природных пресных свободного СО 2 , по :
СО 2 + Н 2 О + Н 2 СО 3 + Н + + НС .
Таблица 1.1
Значения рН для пресноводных рыб Европы (по Р.Дажо, 1975)
Характер воздействия на пресноводных рыб |
|
| Гибельно для рыб; выживают некоторые растения и беспозвоночные |
|
| Гибельно для лососевых рыб; плотва, окунь, щука могут выжить после акклиматизации |
|
| Гибельно для многих рыб, размножается только щука |
|
| Опасно для икры лососевых рыб |
|
| Область, пригодная для жизни |
|
| Опасно для окуня и лососевых рыб в случае длительного воздействия |
|
| Вредно для развития некоторых видов, гибельно для лососевых при большой продолжительности воздействия |
|
| Переносится плотвой в течение очень короткого времени |
|
| Смертельно для всех рыб |
Влияние количества растворенного на видовой состав и численность гидробионтов. Степень насыщенности обратно пропорциональна ее . растворенного О 2 в поверхностных изменяется от 0 до 14 мг/л и подвержена значительным сезонным и суточным колебаниям, которые в основном зависят от соотношения интенсивности процессов его продуцирования и потребления. В случае высокой интенсивности может быть значительно пересыщена О 2 (20 мг/л и выше). В водной среде является ограничивающим фактором. О 2 составляет в 21% (по объему) и около 35% от всех , растворенных в . его в морской составляет 80% от в пресной . Распределение 2) 5 - 7 мг / л - хариус, пескарь, голавль, налим;. Эти виды способны выживать, переходя к замедленной жизни, к анаэробиозу или благодаря тому, что у них имеется d-гемоглобин, обладающий большим сродством к в среде. водах этот показатель очень изменчив. Соленость обычно выражается в промилле (‰) и является одной из основных характеристик водных масс, распределения морских , элементов морских течений и т.д. Особую роль она играет в формировании биологической продуктивности морей и океанов, так как многие очень восприимчивы к незначительным ее изменениям. Многие виды животных являются целиком морскими (многие виды рыб, беспозвоночных и млекопитающих).
В солоноватых обитают виды, способные переносить повышенную соленость. В эструариях, где соленость ниже 3 ‰, морская фауна беднее. В Балийском море, соленость которого составляет 4 ‰, встречаются балянусы, кольчецы, а также коловратки и гидроиды.
Водные подразделяются на пресноводные и морские по степени солености , в которой они обитают. Сравнительно немногие растения и животные могут выдерживать большие колебания солености. Такие виды обычно обитают в эструариях рек или в соленых маршах и носят названия эвригалинных. К ним относятся многие обитатели литорали (соленость около 35 ‰), эструариев рек, солоноватоводных (5 - 35 ‰) и ультрасоленых (50 - 250 ‰), а также проходные рыбы, нерестящиеся в пресной (< 5 ‰). Наиболее удивительный пример - рачок Artemia salina, способный существовать при солености от 20 до 250 ‰ и даже переносить полное временное опреснение. Способность существовать в с различной соленостью обеспечивается механизмами осморегуляции, которую поддерживают относительно постоянные осмотически активных в внутренней среды.
По отношению к солености среды животные делятся на стеногалинных и эвригалинных. Стеногалинные животные - животные, не выдерживающие значительные изменения солености среды. Это подавляющее число обитателей морских и пресных водоемов. Эвригалинные животные способны жить при широком диапазоне колебаний солености. Например, улитка Hydrobia ulvae способна выживать при изменении NaCl от 50 до 1600 ммоль/мл. К ним относятся также медуза Aurelia aurita, съедобная мидия Mutilus edulis, краб Carcinus maenas, аппендикулярия Oikopleura dioica.
Устойчивость по отношению к изменению солености меняется с . Например, гидроид Cordylophora caspia лучше переносит низкую соленость при невысокой ; десятиногие переходят в малосоленые , когда становится слишком высокой. Виды, обитающие в солоноватых , отличаются от морских форм размерами. Так, краб Carcinus maenas в Балтийском море имеет маленькие размеры, а в эструариях и лагунах - крупные. То же можно сказать и о съедобной мидии Mutilus edulis, имеющей в Балтийском море средний размер 4 см, в Белом море - 10 - 12 см, а в Японском - 14 - 16 см в соответствии с увеличением солености. Кроме того, от солености среды зависит и строение эвригалинных видов. Рачок артемия при солености 122 ‰имеет размер 10 мм, при 20 ‰ достигает 24 - 32 мм. Одновременно изменяется форма тела, придатков и окраска.
К абиотическим факторам среды относят субстрат и его состав, влажность, свет и другие виды излучений в природе, и его состав, и микроклимат. Следует отметить, что температуру, состав воздуха, влажность и свет можно условно отнести к «индивидуальным», а субстрат, климат, микроклимат и др. - к «комплексным» факторам.
Субстрат (буквально) - это место прикрепления. Например, для древесных и травянистых форм растений, для почвенных микроорганизмов это почва. В ряде случаев субстрат можно считать синонимом среды обитания (например, почва - это эдафическая среда обитания). Субстрат характеризуется определенным химическим составом, который оказывает влияние на организмы. Если субстрат понимается как среда обитания, то он в этом случае представляет собой комплекс характерных для него биотических и абиотических факторов, к которым приспосабливается тот или иной организм.
Характеристика температуры как абиотического фактора среды
Температура - это экологический фактор, связанный со средней кинетической энергией движения частиц и выражающийся в градусах различных шкал. Наиболее распространенной является шкала в градусах Цельсия (°С), в основу которой положена величина расширения воды (температура кипения воды составляет 100°С). В СИ принята абсолютная шкала температур, для которой температура кипения воды Т кип. воды = 373 К.
Очень часто температура является лимитирующим фактором, определяющим возможность (невозможность) обитания организмов в той или иной среде обитания.
По характеру температуры тел а все организмы разделяют на две группы: пойкилотермные (температура их тела зависит от температуры окружающей среды и является практически такой же, как и температура среды) и гомойотермные (температура их тела не зависит от температуры внешней среды и является более или менее постоянной: если и колеблется, то в небольших пределах - доли градуса).
К пойкилотермным относятся растительные организмы, бактерии, вирусы, грибы, одноклеточные животные, а также животные с относительно низким уровнем организации (рыбы, членистоногие и т. д.).
К гомойотермным относятся птицы и млекопитающие, включая человека. Постоянная температура тела уменьшает зависимость организмов от температуры внешней среды, дает возможность расселения по большему числу экологических ниш как в широтном, так и в вертикальном расселении по планете . Однако и помимо гомойотермности организмы вырабатывают приспособления для преодоления воздействия низких температур.
По характеру перенесения низких температур растения разделяют на теплолюбивые и холодостойкие. К теплолюбивым относят растения юга (бананы, пальмы, южные сорта яблонь, груш, персики, виноград и др.). К холодостойким относят растения средних и северных широт, а также растения, произрастающие высоко в горах (например, мхи, лишайники, сосна, ель, пихта, рожь и т. д.). В средней полосе России выращивают сорта морозостойких фруктовых деревьев, которые специально выводят селекционеры. Первые большие успехи в этой области были достигнуты И. В. Мичуриным и другими народными селекционерами.
Норма реакции организма на температурный фактор (для отдельных организмов) часто узка, т.е. конкретный организм может нормально функционировать в достаточно узком интервале температур. Так, морские позвоночные гибнут при повышении температуры до 30-32°С. Но для живого вещества в целом границы температурного воздействия, при котором сохраняется жизнь, очень широки. Так, в Калифорнии в горячих источниках живет вид рыб, нормально функционирующий при температуре 52°С, а термостойкие бактерии, обитающие в гейзерах, выдерживают температуру до 80°С (это «нормальная» температура для них). В ледниках при температуре -44°С обитают некоторые и т. д.
Роль температуры как экологического фактора сводится к тому, что она влияет на обмен веществ: при низких температурах скорость биоорганических реакций сильно замедляется, а при высоких - значительно увеличивается, что приводит к нарушению равновесия в протекании биохимических процессов, а это вызывает различные заболевания, а иногда и летальный исход.
Влияние температуры, на растительные организмы
Температура не только является фактором, определяющим возможность обитания растений на той или иной территории, но она для некоторых растений оказывает влияние на процесс их развития. Так, озимые сорта пшеницы и ржи, которые при прорастании не подверглись процессу «яровизации» (воздействию низких температур), не дают семян при их произрастании в самых благоприятных условиях.
Для перенесения воздействия низких температур растения имеют различные приспособления.
1. В зимний период цитоплазма теряет воду и накапливает вещества, обладающие эффектом «антифриза» (это моносахара, глицерин и другие вещества) - концентрированные растворы таких веществ замерзают только при низких температурах.
2. Переход растений в стадию (фазу), устойчивую к воздействию низких температур - стадия спор, семян, клубней, луковиц, корневищ, корнеплодов и т. д. Древесные и кустарниковые формы растений сбрасывают листья, стебли покрываются пробкой, обладающей высокими теплоизоляционными свойствами, а в живых клетках накапливаются вещества-антифризы.
Влияние температуры на животные организмы
Температура по-разному влияет на пойкилотермных и гомойотермных животных.
Пойкилотермные животные активны только в период оптимальных для их жизнедеятельности температур. В период низких температур они впадают в спячку (земноводные, пресмыкающиеся, членистоногие и др.). Некоторые насекомые перезимовывают или в виде яиц, или в виде куколок. Нахождение организма в спячке характеризуется состоянием анабиоза, при котором процессы обмена очень сильно заторможены и организм может длительное время обходиться без пищи. В спячку пойкилотермные животные могут впадать и под воздействием высоких температур. Так, животные в нижних широтах в жаркое время дня находятся в норах, а период их активной жизнедеятельности приходится на раннее утро или поздний вечер (либо они ведут ночной образ жизни).
В спячку животные организмы впадают не только за счет воздействия температуры, но и за счет других факторов. Так, медведь (гомойотермное животное) впадает в спячку зимой из-за недостатка пищи.
Гомойотермные животные в меньшей степени в своей жизнедеятельности зависят от температуры, но температура влияет на них с точки зрения наличия (отсутствия) кормовой базы. Эти животные имеют следующие приспособления к преодолению воздействия низких температур:
1) животные перемещаются из более холодных областей в более теплые (перелеты птиц, миграции млекопитающих);
2) изменяют характер покрова (летний мех или оперение заменяются на более густой зимний; накапливают большой слой жира - дикие свиньи, тюлени и др.);
3) впадают в спячку (например, медведь).
Гомойотермные животные имеют приспособления для снижения воздействия температур (как повышенных, так и пониженных). Так, у человека имеются потовые железы, которые изменяют характер секреции при повышенных температурах (количество секрета увеличивается), изменяется просвет кровеносных сосудов в коже (при низких температурах он уменьшается, а при высоких - увеличивается) и т. д.
Излучения как абиотический фактор
И в жизни растений, и в жизни животных огромную роль играют различные излучения, которые или попадают на планету извне (солнечные лучи), или выделяются из недр Земли. Здесь рассмотрим в основном солнечные излучения.
Солнечные излучения неоднородны и состоят из электромагнитных волн разной длины, а следовательно, обладают и различной энергией. Поверхности Земли достигают лучи как видимого, так и невидимого спектра. К лучам невидимого спектра относятся инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, а лучи видимого спектра имеют семь наиболее различимых лучей (от красного до фиолетового). квантов излучений увеличивается от инфракрасного до ультрафиолетового (т. е. ультрафиолетовые лучи содержат кванты наиболее коротких волн и наибольшей энергии).
Солнечные лучи имеют несколько экологически важных функций:
1) благодаря солнечным лучам на поверхности Земли реализуется определенный температурный режим, имеющий широтный и вертикальный зональный характер;
При отсутствии воздействия человека состав воздуха, тем не менее, может различаться в зависимости от высоты над уровнем моря (с высотой содержание кислорода и углекислого газа уменьшается, так как эти газы тяжелее азота). Воздух приморских районов обогащен парами воды, в которых содержатся морские соли в растворенном состоянии. Воздух леса отличается от воздуха полей примесями соединений, выделяемых различными растениями (так, воздух соснового бора содержит большое количество смолистых веществ и эфиров, убивающих болезнетворные микроорганизмы, поэтому этот воздух является целебным для больных туберкулезом).
Важнейшим комплексным абиотическим фактором является климат.
Климат - это совокупный абиотический фактор, включающий в себя определенный состав и уровень солнечной радиации, связанный с ним уровень температурного и влажностного воздействия и определенный режим ветров. Климат зависит также от характера растительности, произрастающей на данной территории, и от рельефа местности.
На Земле наблюдается определенная широтная и вертикальная климатическая зональность. Различают влажный тропический, субтропический, резко континентальный и другие разновидности климата.
Повторите сведения о различных видах климата по учебнику физической географии. Рассмотрите особенности климата той территории, на которой вы живете.
Климат как совокупный фактор формирует тот или иной тип растительности (флоры) и тесно связанный с ним тип фауны. Большое влияние на климат оказывают поселения людей. Климат больших городов отличается от климата пригородных зон.
Сравните температурный режим города, в котором вы живете, и режим температур области, где находится город.
Как правило, температура в черте города (особенно в центре) всегда выше, чем в области.
С климатом тесно связан микроклимат. Причиной возникновения микроклимата являются различия в рельефе на данной территории, наличие водоемов, что приводит к изменению условий на разных территориях данной климатической зоны. Даже на относительно небольшой территории дачного участка на отдельных его частях могут возникать различные условия для произрастания растений из-за разных условий освещения.
Сигнал к началу осеннего перелета насекомоядных птиц
1) понижение температуры окружающей среды 2) сокращение светового дня
3) недостаток пищи 4) повышение влажности и давления
На численность белки в лесной зоне НЕ влияет
К абиотическим факторам относят
1) конкуренцию растений за поглощение света
2) влияние растений на жизнь животных
3) изменение температуры в течение суток
4) загрязнение окружающей среды человеком
Фактор, ограничивающий рост травянистых растений в еловом лесу, - недостаток
1) света 2) тепла 3) воды 4) минеральных веществ
Как называют фактор, который значительно отклоняется от оптимальной для вида величины
1) абиотический 2) биотический 3) антропогенный 4) ограничивающий
44. Какой фактор ограничивает жизнь растений в степной зоне?
1) высокая температура 2) недостаток влаги 3) отсутствие перегноя
4) избыток ультрафиолетовых лучей
Важнейшим абиотическим фактором, минерализующим органические остатки в биогеоценозе леса, являются
1) заморозки 2) пожары 3) ветры 4) дожди
К абиотическим факторам, определяющим численность популяции, относят
Главным ограничивающим фактором для жизни растений в Индийском океане является недостаток
1) света 2) тепла 3) минеральных солей 4) органических веществ
48. Что может стать ограничивающим фактором для жизни пятнистого оленя, живущего в Приморье на южных склонах гор?
1) глубокий снег 2) сильный ветер 3) недостаток хвойных деревьев
4) короткий день зимой
К абиотическим экологическим факторам относится
1) плодородность почвы 2) большое разнообразие растений
3) наличие хищников 4) температура воздуха
41. Любой экологический фактор может быть лимитирующим, но наиболее важными чаще оказываются:
1) влажность и пища
2) температура, для растений - наличие элементов минерального питания
3) температура, вода, пища, для растений - наличие в почве биогенных элементов
42. Организмы с широким диапазоном толерантности - выносливости ~ называют:
1) стенобионтами, они практически не встречаются в природе
2) эврибионтами, они широко распространены в природе
3) эврибионтами, они редко встречаются в природе
43. Размер листьев одинаков в условиях, при которых:
1) темно - влажно и сухо - солнечно
2) темно - влажно и влажно - солнечно
3) сухо - солнечно и солнечно - влажно
44. Эколог-гидробиолог всегда имеет наготове прибор для определения количества кислорода, а эколог, изучающий наземные экосистемы, реже измеряет содержание кислорода, потому что:
1) В наземных местообитаниях кислород доступен живым существам, в водных часто является лимитирующим фактором
2) В наземных экосистемах кислород является лимитирующим фактором, в водных практически всегда доступен
3) Как в наземных, так и в водных экосистемах кислород является лимитирующим фактором
45. Установите соответствие
ОСОБЕННОСТЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ ГРУППА ОРГАНИЗМОВ
А) выделение кислорода в атмосферу 1) автотрофы
Б) использование энергии, заключенной в пище, для синтеза АТФ 2) гетеротрофы
В) использование готовых органических веществ
Г) синтез органических веществ из неорганических
Д) использование углекислого газа для питания
Блок С. Дайте развернутый ответ на вопросы
1. Чем отличается наземно-воздушная среда от водной?
2. Скорость фотосинтеза зависит от лимитирующих (ограничивающих) факторов, среди которых выделяют свет, концентрацию углекислого газа, температуру. Почему эти факторы являются лимитирующими для реакций фотосинтеза?
3. В чём проявляются морфологические, физиологические и поведенческие адаптации к температуре среды у теплокровных животных?
4. Какие изменения биотических факторов могут привести к увеличению численности голого слизня, обитающего в лесу и питающегося преимущественно растениями?
5. На поверхности почвы иногда можно увидеть большое количество дождевых червей. Объясните, при каких метеорологических условиях это происходит и почему.
Свет относится к основным факторам внешней среды. Без света невозможна фотосинтетическая деятельность растений, а без последней немыслима жизнь вообще, поскольку зеленые растения обладают способностью продуцировать необходимый для всех живых существ кислород. Кроме того, свет является единственным источником тепла на планете Земля. Он оказывает непосредственное воздействие на химические и физические процессы, происходящие в организмах, влияет на обмен веществ.
Многие морфологические и поведенческие характеристики различных организмов связаны с воздействием на них света. Деятельность некоторых внутренних органов животных также тесно связана с освещением. Поведение животных, например сезонные перелеты, кладка яиц, ухаживание за самками, весенний гон, связано с продолжительностью светового дня.
В экологии под термином «свет» подразумевается весь диапазон солнечного излучения, достигающего земной поверхности. Спектр распределения энергии излучения Солнца за пределами земной атмосферы показывает, что около половины солнечной энергии излучается в инфракрасной области, 40 % — в видимой и 10 % — в ультрафиолетовой и рентгеновской областях.
Для живого вещества важны качественные признаки света — длина волны, интенсивность и продолжительность воздействия. Различают ближнее ультрафиолетовое излучение (400-200 нм) и дальнее, или вакуумное (200-10 нм). Источники ультрафиолетового излучения — высокотемпературная плазма, ускоренные электроны, некоторые лазеры, Солнце, звезды и др. Биологическое действие ультрафиолетового излучения обусловлено химическими изменениями поглощающих их молекул живых клеток, главным образом молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков, и выражается в нарушениях деления, возникновении мутаций и гибели клеток.
Часть солнечных лучей, преодолев огромное расстояние, достигает поверхности Земли, освещает и обогревает ее. Подсчитано, что на нашу планету поступает около одной двухмиллиардной части солнечной энергии, а из этого количества лишь 0,1-0,2 % используется зелеными растениями для создания органического вещества. Каждому квадратному метру планеты достается в среднем по 1,3 кВт энергии Солнца. Ее хватило бы для работы электрического чайника или утюга.
Условия освещения играют исключительную роль в жизни растений: от интенсивности солнечного освещения зависит их продуктивность, производительность. Однако световой режим на Земле довольно разнообразный. В лесу он иной, нежели на лугу. Освещение в лиственном и темнохвойном еловом лесу заметно различается.
Свет управляет ростом растений: они растут в направлении большей освещенности. Их чувствительность к свету столь велика, что побеги некоторых растений, в течение дня содержащиеся в темноте, реагируют на вспышку света, длящуюся всего две тысячные доли секунды.
Все растения по отношению к свету можно разделить на три группы: гелиофиты, сциофиты, факультативные гелиофиты.
Гелиофиты (от греч. helios — солнце и phyton — растение), или светолюбивые растения, либо совсем не переносят, либо плохо переносят даже незначительное затенение. К данной группе относятся степные и луговые злаки, растения тундр, ранневесенние растения, большинство культурных растений открытого грунта, многие сорняки. Из видов этой группы можно отмстить подорожник обыкновенный, иван-чай, вейник тростниковидный и др.
Сциофиты (от греч. scia — тень), или теневые растения, не выносят сильного освещения и живут в постоянной тени под пологом леса. Это главным образом лесные травы. При резком осветлении лесного полога они приходят в угнетенное состояние и нередко погибают, но многие перестраивают фотосинтетический аппарат и приспосабливаются к жизни в новых условиях.
Факультативные гелиофиты , или теневыносливые растения, способны развиваться как при очень большом, так и при малом количестве света. В качестве примера можно назвать некоторые деревья — ель обыкновенную, клен остролистный, граб обыкновенный; кустарники — лешину, боярышник; травы — землянику, герань полевую; многие комнатные растения.
Важным абиотическим фактором является температура. Любой организм способен жить в пределах определенного диапазона температур. Область распространения живого в основном ограничена областью от чуть ниже 0 °С до 50 °С.
Основным источником тепла, как и света, является солнечное излучение. Организм может выживать только в условиях, к которым приспособлен его метаболизм (обмен веществ). Если температура живой клетки падает ниже точки замерзания, клетка обычно физически повреждается и гибнет в результате образования кристаллов льда. Если же температура слишком высокая, происходит денатурация белков. Именно это имеет место при варке куриного яйца.
Большинство организмов способно в той или иной степени контролировать температуру своего тела с помощью различных ответных реакций. У подавляющего числа живых существ температура тела может изменяться в зависимости от температуры окружающей среды. Такие организмы не способны регулировать свою температуру и называются холоднокровными (пойкилотермными). Их активность в основном зависит от тепла, поступающего извне. Температура тела пойкилотермных организмов связана со значениями температуры окружающей среды. Холоднокровность свойственна таким группам организмов, как растения, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы, рептилии и др.
Значительно меньшее количество живых существ способно к активному регулированию температуры тела. Это представители двух высших классов позвоночных — птицы и млекопитающие. Вырабатываемое ими тепло является продуктом биохимических реакций и служит существенным источником повышения температуры тела. Такая температура поддерживается на постоянном уровне независимо от температуры окружающей среды. Организмы, способные поддерживать постоянную оптимальную температуру тела независимо от температуры среды, называются теплокровными (гомойотермными). За счет этого свойства многие виды животных могут жить и размножаться при температуре ниже нуля (северный олень, белый медведь, ластоногие, пингвин). Поддержание постоянной температуры тела обеспечивается хорошей тепловой изоляцией, создаваемой меховым покровом, плотным оперением, подкожными воздушными полостями, толстым слоем жировой ткани и т.д.
Частный случай гомойотермии — гетеротермия (от греч. heteros — разный). Разный уровень температуры тела у гетеротермных организмов зависит от их функциональной активности. В период активности они обладают постоянной температурой тела, а в период отдыха или зимней спячки температура значительно понижается. Гетеротермность характерна для сусликов, сурков, барсуков, летучих мышей, ежей, медведей, колибри и др.
Особую роль в жизнедеятельности живых организмов играют условия увлажнения.
Вода — основа живой материи. Для большинства живых организмов вода является одним из главных экологических факторов. Это важнейшее условие существования всего живого на Земле. Все жизненные процессы в клетках живых организмов протекают в водной среде.
Вода химически не изменяется под действием большинства технических соединений, которые она растворяет. Это очень важно для живых организмов, поскольку необходимые их тканям питательные вещества поступают в водных растворах в сравнительно малоизмененном виде. В природных условиях вода всегда содержит то или иное количество примесей, не только взаимодействуя с твердыми и жидкими веществами, но и растворяя газы.
Уникальные свойства воды предопределяют ее особую роль в формировании физической и химической среды нашей планеты, а также в возникновении и поддержании удивительного явления — жизни.
Эмбрион человека на 97 % состоит из воды, а у новорожденных ее количество составляет 77 % массы тела. К 50 годам количество воды в теле человека уменьшается и составляет уже 60 % его массы. Основная часть воды (70 %) сосредоточена внутри клеток, а 30 % — это межклеточная вода. Мышцы человека состоят на 75 % из воды, печень — на 70, мозг — на 79, почки — на 83 %.
Тело животного содержит, как правило, не менее 50 % воды (например, слона — 70 %, гусеницы, поедающей листья растений, — 85-90 %, медузы — более 98 %).
Больше всего воды (из расчета суточной потребности) из наземных животных нужно слону — около 90 л. Слоны — одни из лучших «гидрогеологов» среди зверей и птиц: водоемы они чувствуют на расстоянии до 5 км! Только бизоны еше дальше — на 7-8 км. В засушливое время слоны роют бивнями в руслах пересохших рек ямы, куда собирается вода. Буйволы, носороги и другие африканские животные охотно пользуются слоновьими колодцами.
Распространение жизни на Земле напрямую связано с осадками. Влажность в разных точках земного шара неодинаковая. Больше всего осадков выпадает в экваториальной зоне, особенно в верхнем течении реки Амазонки и на островах Малайского архипелага. Количество их в отдельных районах достигает 12 000 мм в год. Так, на одном из Гавайских островов от 335 до 350 дней в году идут дожди. Это самое влажное место на Земле. Среднегодовое количество осадков достигает здесь 11 455 мм. Для сравнения: в тундре и пустынях выпадает менее 250 мм осадков в год.
Животные по-разному относятся к влаге. Вода как физико-химическое тело оказывает непрерывное воздействие на жизнь гидробионтов (водных организмов). Она не только удовлетворяет физиологические потребности организмов, но и доставляет кислород и пищу, уносит метаболиты, переносит половые продукты и самих гидробионтов. Благодаря подвижности воды в гидросфере возможно существование прикрепленных животных, которых, как известно, нет на суше.
Эдафические факторы
Вся совокупность физических и химических свойств почвы, оказывающих экологическое воздействие на живые организмы, относится к эдафическим факторам (от греч. edaphos — основание, земля, почва). Основные эдафические факторы — механический состав почвы (размер ее частиц), относительная рыхлость, структура, водопроницаемость, аэрируемость, химический состав почвы и циркулирующих в ней веществ (газов, воды).
Характер гранулометрического состава почвы может иметь экологическое значение для животных, которые в определенный период жизни обитают в почве или ведут роющий образ жизни. Личинки насекомых, как правило, не могут жить в слишком каменистой почве; роющие перепончатокрылые, откладывающие яйца в подземных ходах, многие саранчовые, зарывающие яйцевые коконы в землю, нуждаются в том, чтобы она была достаточно рыхлой.
Важной характеристикой почвы является ее кислотность. Известно, что кислотность среды (рН) характеризует концентрацию ионов водорода в растворе и численно равна отрицательному десятичному логарифму этой концентрации: рН = -lg. Водные растворы могут иметь рН от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7, кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7, а щелочная — больше 7. Кислотность может служить индикатором скорости общего метаболизма сообщества. Если показатель рН почвенного раствора низкий, это означает, что в почве содержится мало биогенных элементов, поэтому ее продуктивность крайне мала.
По отношению к плодородию почвы различают следующие экологические группы растений:
- олиготрофы (от греч. olygos — небольшой, незначительный и trophe — питание) — растения бедных, малоплодородных почв (сосна обыкновенная);
- мезотрофы (от греч. mesos — средний) — растения с умеренной потребностью в питательных веществах (большинство лесных растений умеренных широт);
- эвтрофы (от греч. ей — хорошо) — растения, требующие большого количества питательных веществ в почве (дуб, лещина, сныть).
Орографические факторы
На распространение организмов по земной поверхности определенное влияние оказывают такие факторы, как особенности элементов рельефа, высота над уровнем моря, экспозиция и крутизна склонов. Они объединяются в группу орографических факторов (от греч. орос — гора). Их воздействие может сильно сказываться на местном климате и развитии почвы.
Одним из главных орографических факторов является высота над уровнем моря. С высотой снижаются средние температуры, усиливается суточный перепад температур, увеличиваются количество осадков, скорость ветра и интенсивность радиации, понижаются атмосферное давление и концентрации газов. Все эти факторы оказывают воздействие на растения и животных, обусловливая вертикальную зональность.
Характерный пример — вертикальная зональность в горах. Здесь с подъемом на каждые 100 м температура воздуха понижается в среднем на 0,55 °С. Одновременно изменяется влажность, сокращается длительность вегетационного периода. С увеличением высоты местообитания существенно меняется развитие растений и животных. У подножия гор могут находиться тропические моря, а на вершине дуют арктические ветры. С одной стороны гор может быть солнечно и тепло, с другой — влажно и холодно.
Еще один орографический фактор — экспозиция склона. На северных склонах растения образуют теневые формы, на южных — световые. Растительность представлена здесь главным образом засухоустойчивыми кустарниками. Склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, поэтому интенсивность света и температура здесь выше, чем на дне долин и на склонах северной экспозиции. С этим связаны существенные различия в прогревании воздуха и почвы, скорости таяния снега, иссушения почвы.
Важным фактором является крутизна склона. Влияние этого показателя на условия жизни организмов сказывается главным образом через особенности почвенной среды, водного и температурного режимов. Для крутых склонов характерны быстрый дренаж и смывание почв, поэтому почвы здесь маломощные и более сухие. Если уклон превышает 35°, обычно создаются осыпи из рыхлого материала.
Гидрографические факторы
Гидрографические факторы включают такие характеристики водной среды, как плотность воды, скорость горизонтальных перемещений (течение), количество растворенного в воде кислорода, содержание взвешенных частиц, проточность, температурный и световой режимы водоемов и т.п.
Организмы, обитающие в водной среде, называются гидробионтами.
Разные организмы по-своему приспособились к плотности воды и определенным глубинам. Некоторые виды могут переносить давление от нескольких до сотен атмосфер. Многие рыбы, головоногие моллюски, ракообразные, морские звезды живут на больших глубинах при давлении около 400-500 атм.
Высокая плотность воды обеспечивает существование в водной среде многих бесскелетных форм. Это мелкие ракообразные, медузы, одноклеточные водоросли, киленогие и крылоногие моллюски и др.
Высокая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность воды определяют более устойчивый по сравнению с сушей температурный режим водоемов. Амплитуда годовых колебаний температуры не превышает 10-15 °С. В континентальных водоемах она составляет 30-35 °С. В самих же водоемах температурные условия между верхними и нижними слоями воды значительно различаются. В глубоких слоях водной толщи (в морях и океанах) температурный режим отличается устойчивостью и постоянством (3-4 °С).
Важным гидрографическим фактором является световой режим водоемов. С глубиной количество света быстро убывает, поэтому в Мировом океане водоросли обитают только в освещенной зоне (чаще всего на глубинах от 20 до 40 м). Плотность морских организмов (их количество на единицу площади или объема) закономерно уменьшается с глубиной.
Химические факторы
Действие химических факторов проявляется в виде проникновения в окружающую среду химических веществ, отсутствовавших в ней раньше, что в значительной степени связано с современным антропогенным влиянием.
Такой химический фактор, как газовый состав, чрезвычайно важен для организмов, обитающих в водной среде. Например, в водах Черного моря очень много сероводорода, что делает этот бассейн не совсем благоприятным для жизни в нем некоторых животных. Впадающие в него реки несут с собой не только пестициды или тяжелые металлы, смывающиеся с полей, но также азот и фосфор. А это не только сельскохозяйственные удобрения, но и пища для морских микроорганизмов и водорослей, которые из-за переизбытка питательных веществ начинают бурно развиваться (цветение воды). Умирая, они опускаются на дно и в процессе гниения потребляют значительное количество кислорода. За последние 30-40 лет цветение Черного моря значительно усилилось. В нижнем слое воды кислород вытеснен ядовитым сероводородом, поэтому жизни здесь практически нет. Органический мир моря относительно бедный и однообразный. Жизненный слой его ограничен узкой поверхностью толщиной 150 м. Что касается наземных организмов, то они малочувствительны к газовому составу атмосферы, поскольку он постоянен.
В группу химических факторов входит и такой показатель, как соленость воды (содержание растворимых солей в природных водах). По количеству растворенных солей природные воды делятся на следующие категории: пресная вода — до 0,54 г/л, солоноватая — от 1 до 3, слабосоленая — от 3 до 10, соленая и очень соленая вода — от 10 до 50, рассол — более 50 г/л. Таким образом, в пресных водоемах суши (ручьях, реках, озерах) в 1 кг воды содержится до 1 г растворимых солей. Морская вода — сложный солевой раствор, средняя соленость которого составляет 35 г/кг воды, т.е. 3,5 %.
Живые организмы, обитающие в водной среде, приспособлены к строго определенной солености воды. Пресноводные формы не могут обитать в морях, морские не переносят опреснения. Если соленость воды изменяется, животные перемещаются в поисках благоприятной среды. Например, при опреснении поверхностных слоев моря после сильных дождей некоторые виды морских рачков опускаются на глубину до 10 м.
Личинки устриц обитают в солоноватых водах небольших заливов и эстуариев (полузамкнутые прибрежные водоемы, свободно сообщающиеся с океаном или морем). Личинки растут особенно быстро, когда соленость воды составляет 1,5-1,8 % (нечто среднее между пресной и соленой водой). При более высоком содержании солей их рост несколько подавляется. При снижении содержания солей рост подавляется уже заметно. При солености 0,25 % рост личинок прекращается, и все они гибнут.
Пирогенные факторы
К ним относятся факторы воздействия огня, или пожары. В настоящее время пожары рассматриваются как весьма значимый и один из естественных абиотических экологических факторов. При правильном использовании огонь может стать очень ценным экологическим инструментом.
На первый взгляд, пожары являются негативным фактором. Но наделе это не так. Без пожаров саванна, например, быстро исчезла бы и покрылась густым лесом. Однако этого не происходит, так как в огне гибнут нежные побеги деревьев. Поскольку деревья растут медленно, немногим из них удается выдержать пожары и вырасти достаточно высоко. Трава же растет быстро и так же быстро восстанавливается после пожаров.
Следует отмстить, что в отличие от других экологических факторов человек может регулировать пожары, в связи с чем они могут стать определенным ограничивающим фактором при распространении растений и животных. Контролируемые людьми пожары способствуют образованию богатой, полезной веществами золы. Смешиваясь с почвой, зола стимулирует рост растений, от количества которых зависит жизнь животных.
Кроме того, многие обитатели саванн, например африканский аист и птица-секретарь, используют пожары в своих целях. Они посещают границы естественных или контролируемых пожаров и поедают там насекомых и грызунов, которые спасаются от огня.
Возникновению пожаров могут способствовать как естественные факторы (удар молнии), так и случайные и неслучайные действия человека. Различают два типа пожаров. Наиболее трудно поддаются сдерживанию и регулированию верховые пожары. Чаще всего они весьма интенсивные и разрушают всю растительность и органику почвы. Такие пожары оказывают ограничивающее воздействие на многие организмы.
Низовые пожары , наоборот, обладают избирательным действием: для одних организмов они более губительны, для других — менее и, таким образом, способствуют развитию организмов с высокой устойчивостью к пожарам. Кроме того, небольшие низовые пожары дополняют действие бактерий, разлагая отмершие растения и ускоряя превращение минеральных элементов питания в форму, пригодную для использования новыми поколениями растений. В местообитаниях с малоплодородной почвой пожары способствуют обогащению ее зольными элементами и питательными веществами.
При достаточной влажности (прерии Северной Америки) пожары стимулируют рост трав за счет деревьев. Особенно важную регулирующую роль пожары играют в степях и саваннах. Здесь периодические пожары снижают вероятность вторжения пустынных кустарников.
Человек нередко является причиной увеличения частоты диких пожаров, хотя частное лицо не имеет права намеренно (даже случайно) вызывать пожар в природе. Вместе с тем использование огня специалистами — часть правильного землепользования.
Абиотические факторы
Абиотические факторы - факторы неживой природы, физические и химические по своему характеру. К их числу относятся: свет, температура, влажность, давление, соленость (особенно в водной среде), минеральный состав (в почве, в грунте водоемов), движения воздушных масс (ветер), движения водных масс (течения) и т. д. Сочетание различных абиотических факторов определяет распространение видов организмов по разным областям земного шара. Всем известно, что тот или иной биологический вид встречается не повсеместно, а в районах, где имеются необходимые для его существования условия. Именно этим, в частности, объясняется географическая приуроченность различных видов на поверхности нашей планеты.
Как уже отмечалось выше, существование определенного вида зависит от сочетания множества различных абиотических факторов. Причем для каждого вида значение отдельных факторов, а также их комбинации весьма специфично.
Важнейшим для всех живых организмов является свет. Во-первых, потому, что это практически единственный источник энергии для всего живого. Автотрофные (фотосинтезирующие) организмы - цианобактерии, растения, преобразуя энергию солнечного света в энергию химических связей (в процессе синтеза органических веществ из минеральных), обеспечивают свое существование. Но кроме того, органические вещества, ими созданные, служат (в виде пищи) источником энергии для всех гетеротрофов. Во-вторых, свет играет важную роль как фактор, регулирующий образ жизни, поведение, физиологические процессы, происходящие в организмах. Вспомним такой хорошо известный пример, как осеннее сбрасывание листвы у деревьев. Постепенное сокращение светового дня запускает сложный процесс физиологической перестройки растений в преддверии долгого зимнего периода.
Изменения светового дня в течение года имеют огромное значение и для животных умеренного пояса. Сезонностью обусловлены размножение многих их видов, смена оперения и мехового покрова, рогов у копытных, метаморфоз у насекомых, миграции рыб, птиц.
Не менее важным абиотическим фактором, чем свет, является температура. Большинство живых существ может жить лишь в диапазоне от –50 до +50 °С. И главным образом в местах обитания организмов на Земле отмечаются температуры, не выходящие за эти пределы. Однако есть виды, которые приспособились к существованию при очень высоких или низких значениях температуры. Так, некоторые бактерии, круглые черви могут обитать в горячих источниках с температурой до +85 °С. В условиях Арктики и Антарктиды встречаются разные виды теплокровных животных - белые медведи, пингвины.
Температура как абиотический фактор способна существенно влиять на темпы развития, физиологическую активность живых организмов, поскольку подвержена суточным и сезонным колебаниям.
Другие абиотические факторы не менее важны, но в разной степени для разных групп живых организмов. Так, для всех наземных видов существенную роль играет влажность, а для водных - соленость. На фауну и флору островов в океанах и морях значительное влияние оказывает ветер. Для обитателей почвы важна ее структура, т. е. размер частиц грунта.
Биотические и антропогенные факторы
Биотические факторы (факторы живой природы) представляют собой разнообразные формы взаимодействий организмов как одного, так и разных видов.
Взаимоотношения организмов одного вида чаще имеют характер конкуренции , причем достаточно острой. Это обусловлено их одинаковыми потребностями - в пище, территориально пространстве, в свете (для растений), в местах гнездования (для птиц) и т. д.
Нередко во взаимоотношениях особей одного вида встречается и кооперация . Стайный, стадный образ жизни многих животных (копытных, котиков, обезьян) позволяет им успешно защищаться от хищников, обеспечить выживание детенышей. Любопытный пример представляют волки. У них в течение года наблюдается смена конкурентных отношений на кооперативные. В весенне-летний период волки живут парами (самец и самка), выращивают потомство. При этом каждая пара занимает определенную охотничью территорию, обеспечивающую их пропитание. Между парами идет жесткая территориальная конкуренция. В зимний же период волки собираются в стаи и совместно охотятся, причем в волчьей стае складывается довольно сложная «социальная» структура. Переход от конкуренции к кооперации обусловлен здесь тем, что в летний период добычи (мелких животных) много, а зимой доступны лишь крупные животные (лоси, олени, кабаны). С ними волку в одиночку не справиться, вот и образуется стая для успешной совместной охоты.
Взаимоотношения организмов разных видов весьма разнообразны. У тех, которые имеют сходные потребности (в пище, местах гнездования), наблюдается конкуренция . Например, между серой и черной крысами, рыжим тараканом и черным. Не очень часто, но между разными видами складывается кооперация , как на птичьем базаре. Многочисленные птицы мелких видов первыми замечают опасность, приближение хищника. Они поднимают тревогу, а крупные, сильные виды (например, серебристые чайки) активно нападают на хищника (песца) и прогоняют его, защищая и свои гнезда, и гнезда мелких птах.
Широко распространено во взаимоотношениях видов хищничество. При этом жертву хищник убивает и целиком съедает. К такому способу близко примыкает и растительноядность: здесь также особи одного вида поедают представителей другого (иногда, правда, не целиком съедая растение, а лишь частично).
При комменсализме симбионт извлекает пользу из сожительства, а хозяину не причиняется вреда, но он и не получает никакой пользы. Например, рыба-лоцман (комменсал), живя возле крупной акулы (хозяин), имеет надежного защитника, да и «со стола» хозяина ей перепадает пища. Акула же попросту не замечает своего «нахлебника». Широко наблюдается комменсализм у животных, ведущих прикрепленный образ жизни, - губок, кишечнополостных (рис. 1).
Рис. 1. Актиния на раковине, занятой раком-отшельником
Личинки этих животных оседают на панцирь крабов, раковину моллюсков, а развившиеся взрослые организмы используют хозяина как «транспортное средство».
Мутуалистические взаимоотношения характеризуются обоюдной выгодой как для мутуалиста, так и для хозяина. Широко известные примеры тому - кишечные бактерии у человека («поставляющие» своему хозяину необходимые витамины); клубеньковые бактерии - фиксаторы азота, -живущие в корнях растений, и т. д.
Наконец, два вида, существующие на одной территории («соседи»), могут никак не взаимодействовать друг с другом. В этом случае говорят о нейтрализме, отсутствии каких-либо взаимоотношений видов.
Антропогенные факторы - факторы (воздействующие на живые организмы и экологические системы), возникающие в результате деятельности человека.