Будь-які властивості або компоненти зовнішнього середовища, що впливають на організми, називають екологічними факторами. Світло, тепло, концентрація солей у воді чи ґрунті, вітер, град, вороги та збудники хвороб – все це екологічні фактори, перелік яких може бути дуже великим.
Серед них розрізняють абіотичні, що відносяться до неживої природи, та біотичніпов'язані з впливом організмів один на одного.
Екологічні чинники надзвичайно різноманітні, і кожен вид, відчуваючи їхній вплив, відповідає на нього по-різному. Тим не менш, є деякі загальні закони, яким підкоряються реакції реакції організмів на будь-який фактор середовища.
Головний із них - закон оптимуму. Він відбиває те, як переносять живі організми різну силу впливу екологічних чинників. Сила впливу кожного їх постійно змінюється. Ми живемо у світі зі змінними умовами, і лише у певних місцях планети значення деяких чинників більш менш постійні (в глибині печер, на дні океанів).
Закон оптимуму виявляється у тому, що будь-який екологічний чинник має певні межі позитивного впливу живі організми.
При відхиленні цих меж знак впливу змінюється на протилежний. Наприклад, тварини та рослини погано переносять сильну спеку та сильні морози; Оптимальними є середні температури. Так само і посуха, і постійні зливи однаково несприятливі для врожаю. Закон оптимуму свідчить про міру кожного чинника життєздатності організмів. На графіці він виражається симетричною кривою, що показує, як змінюється життєдіяльність виду за поступового збільшення впливу чинника (рис. 13).
Малюнок 13. Схема впливу факторів середовища на живі організми. 1,2 - критичні точки
(Для збільшення зображення натисніть на малюнок)
У центрі під кривою - зона оптимуму. При оптимальних значеннях фактора організми активно зростають, харчуються, розмножуються. Чим більше відхиляється значення фактора вправо чи вліво, тобто у бік зменшення чи збільшення сили дії, тим менш сприятливо для організмів. Крива, що відбиває життєдіяльність, різко спускається вниз по обидва боки оптимуму. Тут розташовуються дві зони песимуму. При перетині кривої з горизонтальною віссю знаходяться дві критичні точки. Це такі значення чинника, які організми не витримують, поза межами настає смерть. Відстань між критичними точками показує ступінь витривалості організмів зміну фактора. Умови, близькі до критичних точок, особливо тяжкі для виживання. Такі умови називають екстремальними.
Якщо накреслити криві оптимуму будь-якого чинника, наприклад, температури, для різних видів, то вони не збігатимуться. Часто те, що є оптимальним для одного виду, для іншого є песимум або навіть знаходиться за межами критичних точок. Верблюди та тушканчики не могли б жити в тундрі, а північні олені та лемінги – у спекотних південних пустелях.
Екологічне розмаїття видів проявляється у становищі критичних точок: в одних вони зближені, в інших - широко розставлені. Це означає, що ряд видів може жити лише в дуже стабільних умовах, при незначній зміні екологічних факторів, інші витримують широкі їх коливання. Наприклад, рослина недоторка в'яне, якщо повітря не насичене водяними парами, а ковила добре переносить зміни вологості і не гине навіть у посуху.
Таким чином, закон оптимуму показує нам, що для кожного виду є свій захід впливу кожного фактора. І зменшення, і посилення впливу за межами цього заходу веде до загибелі організмів.
Для розуміння зв'язку видів із середовищем не менш важливий закон обмежуючого фактора.
У природі на організми одночасно впливає цілий комплекс факторів середовища у різних комбінаціях та з різною силою. Виділити роль кожного з них непросто. Який із них означає більше, ніж інші? Те, що ми знаємо про закон оптимуму, дозволяє зрозуміти, що немає цілком позитивних чи негативних, важливих чи другорядних чинників, проте залежить від сили впливу кожного.
Закон обмежує чинника свідчить, що найбільш значимий той чинник, який найбільше відхиляється від оптимальних для організму значень.
Саме від нього і залежить у цей конкретний період виживання особин. В інші відрізки часу обмежують можуть стати інші фактори, і протягом життя організми зустрічаються з різними обмеженнями своєї життєдіяльності.
З законами оптимуму та обмежуючого чинника постійно стикається практика сільського господарства. Наприклад, зростання та розвиток пшениці, а отже, і одержання врожаю постійно обмежуються то критичними температурами, то недоліком чи надлишком вологи, то нестачею мінеральних добрив, а іноді й такими катастрофічними впливами, як град та бурі. Потрібно багато сил і засобів, щоб підтримувати оптимальні умови для посівів, і при цьому насамперед компенсувати чи пом'якшувати дію саме факторів, що обмежують.
Умови проживання різних видів напрочуд різноманітні. Одні з них, наприклад, деякі дрібні кліщики або комахи, все життя проводять усередині листа рослини, який для них - цілий світ, інші освоюють величезні та різноманітні простори, як, наприклад, північні олені, кити в океані, перелітні птахи.
Залежно від цього, де живуть представники різних видів, ними діють різні комплекси екологічних чинників. На нашій планеті можна виділити декілька основних середовищ життя, що сильно розрізняються за умовами існування: водну, наземно-повітряну, ґрунтову. Середовищем проживання служать також самі організми, в яких живуть інші.
Водне середовище життя.Усі водяні, незважаючи на відмінності в способі життя, повинні бути пристосовані до головних особливостей свого середовища. Ці особливості визначаються насамперед фізичними властивостями води: її щільністю, теплопровідністю, здатністю розчиняти солі та гази.
Щільністьводи визначає її значну силу, що виштовхує. Це означає, що у воді полегшується вага організмів і з'являється можливість вести постійне життя у воді, не опускаючись на дно. Безліч видів, переважно дрібних, нездатних до швидкого активного плавання, ніби ширяють у воді, перебуваючи в ній у зваженому стані. Сукупність таких дрібних водних мешканців отримала назву планктон. До складу планктону входять мікроскопічні водорості, дрібні рачки, ікра та личинки риб, медузи та багато інших видів. Планктонні організми переносяться течіями не в змозі протистояти їм. Наявність у воді планктону уможливлює фільтраційний тип харчування, тобто відціджування, за допомогою різних пристосувань, зважених у воді дрібних організмів і харчових частинок. Воно розвинене і у плаваючих, і у сидячих донних тварин, таких як морські лілії, мідії, устриці та інші. Сидячий спосіб життя був би неможливим у водних жителів, якби не було планктону, а він, у свою чергу, можливий лише в середовищі з достатньою щільністю.
Щільність води ускладнює активне пересування в ній, тому тварини, що швидко плавають, такі, як риби, дельфіни, кальмари, повинні мати сильну мускулатуру і обтічну форму тіла. У зв'язку з високою щільністю води тиск із глибиною сильно зростає. Глибоководні жителі здатні переносити тиск, який у тисячі разів вищий, ніж на поверхні суші.
Світло проникає у воду лише на невелику глибину, тому рослинні організми можуть існувати лише у верхніх горизонтах водної товщі. Навіть у найчистіших морях фотосинтез можливий лише до глибин у 100-200 м. На великих глибинах рослин немає, а глибоководні тварини живуть у повній темряві.
Температурний режиму водоймах більш м'який, ніж суші. Через високу теплоємність води коливання температури в ній згладжені, і водні жителі не стикаються з необхідністю пристосовуватися до сильних морозів або сорокаградусної спеки. Тільки в гарячих джерелах температура води може наближатися до точки кипіння.
Одна із складностей життя водних мешканців - обмежена кількість кисню. Його розчинність не дуже велика і, до того ж, сильно зменшується при забрудненні або нагріванні води. Тому у водоймах іноді бувають замори- масова загибель мешканців через брак кисню, що настає з різних причин.
Сольовий складсередовища також є дуже важливим для водних організмів. Морські види не можуть жити у прісних водах, а прісноводні – у морях через порушення роботи клітин.
Наземно-повітряне середовище життя.Це середовище відрізняється іншим набором особливостей. Вона загалом складніша і різноманітніша, ніж водна. У ній багато кисню, багато світла, різкіші зміни температури в часі та у просторі, значно слабші перепади тиску і часто виникає дефіцит вологи. Хоча багато видів можуть літати, а дрібні комахи, павуки, мікроорганізми, насіння та суперечки рослин переносяться повітряними течіями, харчування та розмноження організмів відбувається на поверхні землі чи рослин. У такому малощільному середовищі, як повітря, організмам необхідна опора. Тому у наземних рослин розвинені механічні тканини, а у наземних тварин сильніше, ніж у водних, виражений внутрішній або зовнішній скелет. Низька щільність повітря полегшує пересування у ньому.
М. С. Гіляров (1912-1985) великий зоолог, еколог, академік, засновник широких досліджень світу ґрунтових тварин пасивний політ освоїли близько двох третин мешканців суші. Більшість із них - комахи та птахи.
Повітря – поганий провідник тепла. Цим полегшується можливість збереження тепла, що виробляється всередині організмів, та підтримання постійної температури у теплокровних тварин. Сам розвиток теплокровності став можливим у наземному середовищі. Предки сучасних водних ссавців – китів, дельфінів, моржів, тюленів – колись жили на суші.
У наземних жителів дуже різноманітні пристрої, пов'язані із забезпеченням себе водою, особливо в посушливих умовах. У рослин це потужна коренева система, водонепроникний шар на поверхні листя та стебел, здатність до регуляції випаровування води через продихи. У тварин також різні особливості будови тіла і покривів, але, крім того, підтримці водного балансу сприяє і відповідна поведінка. Вони можуть, наприклад, здійснювати міграції до водопоїв або активно уникати умов, що особливо висушують. Деякі тварини можуть жити все життя взагалі на сухому кормі, як, наприклад, тушканчики або всім відома моль. І тут вода, необхідна організму, виникає з допомогою окислення складових частин їжі.
У житті наземних організмів велику роль грають і багато інших екологічних факторів, наприклад, склад повітря, вітри, рельєф земної поверхні. Особливо важливі погода та клімат. Мешканці наземно-повітряного середовища повинні бути пристосовані до клімату тієї частини Землі, де вони живуть, та переносити мінливість погодних умов.
Ґрунт як середовище життя.Грунт є тонким шаром поверхні суші, переробленим діяльністю живих істот. Тверді частки пронизані в грунті порами і порожнинами, заповненими частково водою, а частково повітрям, тому здатні населяти грунт і дрібні водні організми. Об'єм дрібних порожнин у ґрунті - дуже важлива її характеристика. У пухких ґрунтах він може становити до 70%, а в щільному - близько 20%. У цих порах і порожнинах або на поверхні твердих частинок мешкає безліч мікроскопічних істот: бактерій, грибів, найпростіших, круглих черв'яків, членистоногих. Найбільші тварини прокладають у ґрунті ходи самі. Весь ґрунт пронизаний корінням рослин. Глибина грунту визначається глибиною проникнення коренів і діяльністю тварин, що риють. Вона становить трохи більше 1,5-2 м.
Повітря в грунтових порожнинах завжди насичене водяними парами, а склад його збагачений вуглекислим газом і збіднений киснем. Цим умови життя у ґрунті нагадують водне середовище. З іншого боку, співвідношення води та повітря у ґрунтах постійно змінюється залежно від погодних умов. Температурні коливання дуже різкі біля поверхні, але швидко згладжуються з глибиною.
Головна особливість ґрунтового середовища - постійне надходження органічної речовини в основному за рахунок відмираючих коренів рослин і опадаючого листя. Це цінне джерело енергії для бактерій, грибів та багатьох тварин, тому ґрунт - найбільш насичене життям середа. Її прихований від очей світ дуже багатий та різноманітний.
На вигляд різних видів тварин і рослин можна зрозуміти, не тільки в якому середовищі вони мешкають, але і який спосіб життя в ній ведуть.
Якщо перед нами чотирилапа тварина з сильно розвиненою мускулатурою стегон на задніх кінцівках і набагато слабшою – на передніх, які до того ж і вкорочені, з відносно короткою шиєю та довгим хвостом, то ми з упевненістю можемо сказати, що це – наземний стрибун, здатний до швидких та маневрених рухів, мешканець відкритих просторів. Так виглядають і знамениті австралійські кенгуру, і пустельні азіатські тушканчики, і африканські стрибунці, і багато інших ссавців, що стрибають - представники різних загонів, що живуть на різних континентах. Вони мешкають у степах, преріях, саванах – там, де швидке пересування землею – головний засіб порятунку від хижаків. Довгий хвіст служить балансиром при швидких поворотах, інакше тварини втрачали б рівновагу.
Стегна сильно розвинені на задніх кінцівках і у комах, що стрибають, - сарани, коників, бліх, жуків-листоблошок.
Компактне тіло з коротким хвостом і короткими кінцівками, з яких передні дуже потужні і виглядають схожими на лопату або граблі, підсліпуваті очі, коротка шия і коротке, як би підстрижене, хутро говорять нам про те, що перед нами підземне звірятко, що риє нори та галереї . Це може бути і лісовий кріт, і степовий сліпий, і австралійський сумчастий кріт, і багато інших ссавців, які ведуть подібний спосіб життя.
Комахи, що роють, - капустянки також відрізняються компактним, кремезним тілом і потужними передніми кінцівками, схожими на зменшений ківш бульдозера. На вигляд вони нагадують маленького крота.
Всі літаючі види мають розвинені широкі площини - крила у птахів, кажанів, комах або складки шкіри, що розправляються, з боків тіла, як у плануючих летяг або ящірок.
Організми, що розселяються шляхом пасивного польоту, з потоками повітря, характеризуються дрібними розмірами та дуже різноманітною формою. Однак у всіх є одна спільна риса – сильний розвиток поверхні порівняно з вагою тіла. Це досягається різними шляхами: за рахунок довгих волосків, щетинок, різноманітних виростів тіла, його подовження або ущільнення, полегшення частки. Так виглядають і дрібні комахи, і плоди-летучки рослин.
Зовнішню схожість, що виникає у представників різних неспоріднених груп і видів у результаті подібного способу життя, називають конвергенцією.
Вона зачіпає переважно ті органи, які безпосередньо взаємодіють із зовнішнім середовищем, і набагато слабше проявляється у будові внутрішніх систем – травної, видільної, нервової.
Форма рослини визначає особливості його відносин із зовнішнім середовищем, наприклад спосіб перенесення холодної пори року. У дерев та високих чагарників найвищі гілки.
Форма ліани - зі слабким стволом, що обвиває інші рослини, може бути як у деревних, так і у трав'янистих видів. До них належать виноград, хміль, лугова повилика, тропічні ліани. Обвиваючи стовбури та стебла прямостоячих видів, ліаноподібні рослини виносять своє листя та квітки до світла.
У подібних кліматичних умовах на різних материках виникає подібний зовнішній вигляд рослинності, яка складається з різних, часто зовсім не споріднених видів.
Зовнішню форму, що відбиває спосіб взаємодії із середовищем проживання, називають життєвою формою виду. Різні види можуть мати подібну життєву формуякщо ведуть близький спосіб життя.
Життєва форма виробляється у ході вікової еволюції видів. Ті види, що розвиваються з метаморфозом, протягом життєвого циклу закономірно змінюють свою життєву форму. Порівняйте, наприклад, гусеницю і дорослого метелика або жабу та її пуголовка. Деякі рослини можуть набувати різної життєвої форми залежно від умов зростання. Наприклад, липа або черемха можуть бути і деревом, що прямо стоїть, і кущем.
Співтовариства рослин та тварин стійкіші та повноцінніші, якщо вони включають представників різних життєвих форм. Це означає, що таке співтовариство повніше використовує ресурси середовища проживання і має різноманітні внутрішні зв'язку.
Склад життєвих форм організмів у спільнотах служить як би індикатором особливостей навколишнього середовища і змін, що відбуваються в ній.
Інженери, що конструюють літальні апарати, уважно вивчають різні життєві форми комах, що літають. Створено моделі машин з польотом, що махає, за принципом руху в повітрі двокрилих і перетинчастокрилих. У сучасній техніці сконструйовано крокуючі машини, а також роботи з важільним та гідравлічним способом руху, як у тварин різних життєвих форм. Такі машини здатні пересуватися крутими схилами і бездоріжжям.
Життя на Землі розвивалося в умовах регулярної зміни дня і ночі та чергування пір року через обертання планети навколо своєї осі та навколо Сонця. Ритміка довкілля створює періодичність, т. е. повторюваність умов у житті більшості видів. Регулярно повторюються як критичні, важкі для виживання періоди, і сприятливі.
Пристосованість до періодичних змін довкілля виявляється у живих істот як безпосередньої реакцією на мінливі чинники, а й у спадково закріплених внутрішніх ритмах.
Добові ритми.Добові ритми пристосовують організми до зміни дня та ночі. У рослин інтенсивне зростання, розпускання квіток присвячені певному часу доби. Тварини протягом доби сильно змінюють активність. За цією ознакою розрізняють денні та нічні види.
Добовий ритм організмів - це відображення зміни зовнішніх умов. Якщо помістити людину, чи тварин, чи рослини у постійну, стабільну обстановку без зміни дня й ночі, то зберігається ритміка процесів життєдіяльності, близька до добової. Організм як би живе за своїм внутрішнім годинником, відраховуючи час.
Добовий ритм може захоплювати багато процесів в організмі. У людини близько 100 фізіологічних характеристик підпорядковуються добовому циклу: частота скорочення серця, ритм дихання, виділення гормонів, секрет травних залоз, кров'яний тиск, температура тіла та багато інших. Тому, коли людина не спить замість сну, організм все одно налаштований на нічний стан і безсонні ночі погано позначаються на здоров'ї.
Однак добові ритми проявляються не в усіх видів, а лише в тих, у яких зміна дня і ночі відіграє важливу екологічну роль. Мешканці печер або глибоких вод, де такої зміни немає, живуть за іншими ритмами. Та й серед наземних мешканців добова періодичність виявляється не у всіх.
У дослідах за строго постійних умов плодові мушки-дрозофіли зберігають добовий ритм протягом десятків поколінь. Ця періодичність передається у них у спадок, як і в багатьох інших видів. Так глибокі пристосувальні реакції, пов'язані з добовою циклікою довкілля.
Порушення добової ритміки організму в умовах нічної роботи, космічних польотів, підводного плавання тощо представляють серйозну медичну проблему.
Річні ритми.Річні ритми пристосовують організми до сезонної зміни умов. У житті видів періоди зростання, розмноження, лінек, міграцій, глибокого спокою закономірно чергуються і повторюються таким чином, що критичну пору року організми зустрічають у найстійкішому стані. Найуразливіший же процес - розмноження та вирощування молодняку - припадає на найбільш сприятливий сезон. Ця періодичність зміни фізіологічного стану протягом року багато в чому вроджена, тобто проявляється як внутрішній річний ритм. Якщо, наприклад, австралійських страусів або дикого собаку динго помістити в зоопарк Північної півкулі, період розмноження настане восени, коли в Австралії весна. Перебудова внутрішніх річних ритмів відбувається насилу, через ряд поколінь.
Підготовка до розмноження або до перезимівлі - тривалий процес, який починається в організмах задовго до критичних періодів.
Різкі короткочасні зміни погоди (літні заморозки, зимові відлиги) зазвичай не порушують річних ритмів рослин та тварин. Головний екологічний фактор, на який реагують організми у своїх річних циклах, – не випадкові зміни погоди, а фотоперіод- Зміни у співвідношенні дня і ночі.
Довжина світлового дня закономірно змінюється протягом року, і ці зміни служать точним сигналом наближення весни, літа, осені чи зими.
Здатність організмів реагувати на зміну довжини дня отримала назву фотоперіодизм.
Якщо день скорочується, види починають готуватися до зими, якщо подовжується – до активного зростання та розмноження. В цьому випадку для життя організмів важливий не сам фактор зміни довжини дня та ночі, а його сигнальне значення, що свідчить про майбутні глибокі зміни у природі.
Як відомо, довжина дня залежить від географічної широти. У північній півкулі на півдні літній день значно коротший, ніж на півночі. Тому південні та північні види по-різному реагують на ту саму величину зміни дня: південні приступають до розмноження при більш короткому дні, ніж північні.
ЕКОЛОГІЧНІ ФАКТОРИ
Іванова Т.В., Калінова Г.С., М'ягкова О.М. "Спільна біологія". Москва, "Освіта", 2000
- Тема 18. "Середовище проживання. Екологічні фактори." розділ 1; стор 10-58
- Тема 19. "Населення. Типи взаємовідносин організмів." розділ 2 §8-14; стор 60-99; розділ 5 § 30-33
- Тема 20. "Екосистеми." розділ 2 §15-22; стор 106-137
- Тема 21. "Біосфера. Кругообіги речовин." розділ 6 §34-42; стор 217-290
Наше знайомство з екологією ми починаємо, мабуть, з одного з найбільш розроблених та вивчених розділів – аутекології. Увага аутекології концентрується на взаємодії особин або груп особин з умовами навколишнього середовища. Тому ключовим поняттям аутекології є екологічний чинник, тобто фактор довкілля, що впливає організм.
Жодні природоохоронні заходи не можливі без вивчення оптимуму дії того чи іншого фактора на даний біологічний вид. Справді, як охороняти той чи інший вид, якщо не знати, які умови життя він надає перевагу. Навіть "охорона" такого виду як людина розумна вимагає знання санітарно-гігієнічних норм, які є ні що інше, як оптимум різних екологічних факторів стосовно людини.
Вплив довкілля на організм і називається екологічним фактором. Точне наукове визначення звучить так:
ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКТОР - будь-яка умова середовища, на яке живе реагує пристосувальними реакціями.
Екологічний фактор - це будь-який елемент середовища, що надає прямий чи опосередкований вплив на живі організми хоча б протягом однієї з фаз розвитку.
За своєю природою екологічні фактори ділять принаймні на три групи:
абіотичні фактори – впливу неживої природи;
біотичні чинники – впливу живої природи.
антропогенні фактори - впливи, викликані розумною та нерозумною діяльністю людини ("антропос" - людина).
Людина видозмінює живу і неживу природу, і бере на себе у певному сенсі і геохімічну роль (наприклад, вивільняючи замурований у вигляді вугілля та нафти на багато мільйонів років вуглець і випускаючи його в повітря вуглекислим газом). Тому антропогенні чинники з розмаху та глобальності свого впливу наближаються до геологічних сил.
Не рідко екологічні чинники піддають і детальнішої класифікації, коли треба зазначити якусь конкретну групу чинників. Наприклад, розрізняють кліматичні (що стосуються клімату), едафічні (ґрунтові) чинники середовища.
Як хрестоматійний приклад опосередкованої дії екологічних факторів наводять так звані пташині базари, що є величезними скупченнями птахів. Висока щільність птахів пояснюється цілим ланцюжком причинно-наслідкових зв'язків. Пташиний послід потрапляє у воду, органічні речовини у воді мінералізуються бактеріями, підвищена концентрація мінеральних речовин призводить до підвищення чисельності водоростей, а за ними - і зоопланктону. Нижчими ракоподібними, що входять до зоопланктону, харчуються риби, а рибами - птахи, що населяють пташиний базар. Ланцюжок замикається. Пташиний послід виступає як екологічний чинник, опосередковано підвищує чисельність колонії птахів.
Як зіставляти дію таких різних за природою чинників? Незважаючи на безліч факторів, із самого визначення екологічного фактора як елемента середовища, що впливає на організм, випливає щось спільне. Зокрема: вплив екологічних чинників завжди виявляється у зміні життєдіяльності організмів, а зрештою, - призводить до зміни чисельності популяції. Це дозволяє порівнювати дію різних екологічних чинників.
Чи варто говорити, що вплив фактора на особину визначається не природою фактора, а його дозою. У світлі сказаного вище, та й простого життєвого досвіду стає очевидним, що ефект визначає саме доза фактора. Справді, що таке фактор "температура"? Це достатньо абстракція, а от якщо сказати, що температура -40 за Цельсієм - тут уже не до абстракцій, скоріше б закутатися на все тепле! З іншого боку, +50 градусів нам здадуться не набагато краще.
Таким чином, фактор впливає на організм певною дозою, і серед цих доз можна виділити мінімальні, максимальні та оптимальні дози, а також ті значення, за яких життя особини припиняється (їх називають летальними, або смертельними).
Вплив різних доз на популяцію в цілому дуже наочно описується графічно:
По осі ординат відкладається чисельність популяції залежно від дози тієї чи іншої чинника (вісь абсцис). Виділяють оптимальні дози фактора та дози дії фактора, при яких відбувається пригнічення життєдіяльності даного організму. На графіку це відповідає 5 зонам:
зона оптимуму
праворуч і ліворуч від неї зони песимуму (від межі зони оптимуму до max чи min)
летальні зони (що знаходяться за межами max та min), у яких чисельність популяції дорівнює 0.
Діапазон значень фактора, за межами якого нормальна життєдіяльність особин стає неможливою, називається межами витривалості.
На наступному уроці ми розглянемо, як розрізняються організми стосовно різних екологічних чинників. Іншими словами, мова на наступному уроці піде про екологічні групи організмів, а також про бочку Лібіха та про те, як пов'язано все це з визначенням ГДК.
Глосарій
ФАКТОР АБІОТИЧНИЙ - умова чи сукупність умов неорганічного світу; екологічний чинник неживої природи
ЧИННИК АНТРОПОГЕННИЙ - екологічний чинник, зобов'язаний своїм походженням діяльності.
ПЛАНКТОН - сукупність організмів, що мешкають у товщі води і нездатних активно чинити опір переносу течіями, тобто "парять" у воді.
БАЗАР ПТИЧ - колоніальне поселення птахів, пов'язаних з водним середовищем (кайр, чайок).
На які екологічні чинники з усього їхнього різноманіття насамперед звертає увагу дослідник? Нерідко перед дослідником стоїть завдання виявити ті екологічні чинники, які пригнічують життєдіяльність представників цієї популяції, обмежують зростання та розвитку. Наприклад, необхідно з'ясувати причини зниження врожаю чи причини вимирання природної популяції.
При всьому різноманітті екологічних факторів і складностях, що виникають при спробі оцінити їх спільний (комплексний) вплив, важливо, що фактори, що складають природний комплекс, мають неоднакову значимість. Ще в 19 столітті Лібіх (Liebig, 1840), вивчаючи вплив різних мікроелементів на зростання рослин, встановив: зростання рослин обмежується елементом, концентрація якого лежить у мінімумі. Чинник, що перебуває в нестачі, був названий лімітуючим. Образно це становище допомагає уявити так звана "бочка Лібіха".
Бочка Лібіха
Уявіть собі бочку, в якій дерев'яні рейки з обох боків різної висоти, як це показано на малюнку. Зрозуміло, якою б висоти не були інші рейки, але налити води в бочку ви зможете рівно стільки, яка довжина найкоротшої рейки (у даному випадку – 4 плашки).
Залишається лише "підмінити" деякі терміни: висота налитої води нехай буде якоюсь біологічною або екологічною функцією (наприклад, врожайністю), а висота рейок буде вказувати на ступінь відхилення дози того чи іншого фактора від оптимуму.
Нині закон мінімуму Лібіха трактується ширше. Лімітуючим фактором може бути фактор, що знаходиться не тільки в нестачі, а й надлишку.
Екологічний фактор відіграє роль ЛІМІТУЮЧОГО ФАКТОРУ, якщо даний фактор знаходиться нижче критичного рівня або перевищує рівень, що максимально виноситься.
Лімітуючий фактор зумовлює ареал поширення виду або (за менш суворих умов) позначається на загальному рівні обміну речовин. Наприклад, вміст фосфатів у морській воді є лімітуючим фактором, що визначає розвиток планктону та в цілому продуктивність співтовариств.
Поняття "лімітуючий фактор" застосовується не тільки до різних елементів, а й до всіх екологічних факторів. Не рідко як лімітуючий чинник виступають конкурентні відносини.
У кожного організму щодо різних екологічних чинників є межі витривалості. Залежно від цього, наскільки широкі чи вузькі ці межі, розрізняють еврибионтные і стенобионтные організми. Еврібіонти здатні виносити широку амплітуду інтенсивності різноманітних екологічних факторів. Скажімо, ареал проживання лисиці - від лісотундри до степів. Стенобіонти, навпаки, переносять дуже вузькі коливання інтенсивності екологічного чинника. Наприклад, практично всі рослини вологих тропічних лісів – стенобіонти.
Нерідко вказують, який саме фактор мають на увазі. Так, можна говорити про евритермних (переносять великі коливання температури) організмах (багато комах) і стенотермних (для рослин тропічних лісів коливання температури в межах +5... +8 градусів може бути згубними); еврі/стеногалинних (переносять/нестерпних коливання солоності води); еврі/стенобатних (що живуть у широких/вузьких межах глибини водойми) і так далі.
Виникнення у процесі біологічної еволюції стенобионтных видів можна як форму спеціалізації, коли він більша ефективність досягається на шкоду адаптивності.
Взаємодія факторів. ГДК.
При незалежній дії екологічних факторів досить оперувати поняттям "лімітуючий фактор", щоб визначити спільний вплив комплексу екологічних факторів на цей організм. Однак у реальних умовах екологічні чинники можуть посилювати чи послаблювати дію одне одного. Наприклад, мороз у Кіровській області переноситься легше, що у С.-Петербурзі, оскільки в останньому вище вологість.
Облік взаємодії екологічних чинників – важлива наукова проблема. Можна виділити три основні види взаємодії факторів:
адитивне - взаємодія факторів є простою алгебраїчну суму ефектів кожного з факторів при незалежній дії;
синергетична - спільна дія факторів посилює ефект (тобто ефект при їх спільній дії більша за просту суму ефектів кожного фактора при незалежній дії);
антогоністична - спільна дія факторів послаблює ефект (тобто ефект при їх спільній дії менша за просту суму ефектів кожного фактора).
Чому так важливо знати про взаємодію екологічних факторів? В основі теоретичного обґрунтування величини гранично допустимих концентрацій (ГДК) забруднювачів або гранично допустимих рівнів (ПДК) впливу забруднюючих агентів (наприклад, шуму, радіації) лежить закон лімітуючого фактора. ГДК встановлюється експериментально лише на рівні, у якому в організмі ще відбуваються патологічні зміни. При цьому існують свої труднощі (наприклад, найчастіше доводиться екстраполювати на людину дані, одержані на тваринах). Проте зараз не про них.
Не рідко доводиться чути, як природоохоронні органи радісно рапортують про те, що більшість забруднень в атмосфері міста знаходиться в межах ГДК. А органи держсанепіднагляду водночас констатують підвищений рівень респіраторних захворювань у дітей. Пояснення може бути таким. Не секрет, що багато атмосферних забруднювачів мають подібний ефект: дратують слизові оболонки верхніх дихальних шляхів, провокують респіраторні захворювання і т.д. І спільна дія цих забруднювачів дає адитивний (або синергетичний) ефект.
Тому в ідеалі при розробці норм ГДК та при оцінці існуючої екологічної ситуації має враховуватися взаємодія факторів. На жаль, практично це буває дуже складно зробити: важко спланувати такий експеримент, важко оцінити взаємодію, плюс посилення ГДК має негативні економічні ефекти.
Глосарій
Мікроелементи - Хімічні елементи, необхідні організмам в нікчемних кількостях, але визначають успішність їх розвитку. М. як мікродобрив використовують підвищення врожайності рослин.
ФАКТОР ЛІМІТРУЮЧИЙ - фактор, що ставить рамки (визначальний) для перебігу якогось процесу або існування організму (виду, співтовариства).
АРЕАЛ - сфера поширення будь-якої систематичної групи організмів (виду, роду, сімейства) або певного типу спільноти організмів (наприклад, ареал лишайникових сосняків).
ОБМІН РЕЧОВИН - (стосовно організму) послідовне споживання, перетворення, використання, накопичення та втрата речовин та енергії в живих організмах. Життя можливе лише завдяки обміну речовин.
ЕВРІБІОНТ - організм, який проживає в різних умовах середовища
СТЕНОБІОНТ - організм, що потребує строго певних умов існування.
КСЕНОБІОТИК - чужорідна для організму хімічна речовина, що природно не входить у біотичний кругообіг. Як правило, ксенобіотик – антропогенного походження.
Екосистема
МІСЬКІ ТА ПРОМИСЛОВІ ЕКОСИСТЕМИ
Загальна характеристика міських екосистем.
Міські екосистеми гетеротрофні, частка сонячної енергії, фіксована міськими рослинами чи сонячними батареями, розташованими на дахах будинків, незначна. Основні джерела енергії для підприємств міста, опалення та освітлення квартир городян розташовані за його межами. Це – родовища нафти, газу, вугілля, гідро- та атомні електростанції.
Місто споживає дуже багато води, лише незначну частину якої людина використовує безпосереднього вживання. Основну частину води витрачають на виробничі процеси та на побутові потреби. Особисте споживання води в містах становить від 150 до 500 л на добу, а з урахуванням промисловості на одного громадянина припадає до 1000 л на добу. Використана містами вода повертається у природу у забрудненому стані - вона насичена важкими металами, залишками нафтопродуктів, складними органічними речовинами, подібними до фенолу, тощо. У ній можуть бути хвороботворні мікроорганізми. Місто викидає в атмосферу отруйні гази, пилюку, концентрує на звалищах токсичні відходи, які з потоками весняної води потрапляють у водні екосистеми. Рослини, у складі міських екосистем зростають у парках, садах, на газонах, їхнє головне призначення - регулювання газового складу атмосфери. Вони виділяють кисень, поглинають діоксид вуглецю та очищають атмосферу від шкідливих газів та пилу, що потрапляють до неї під час роботи промислових підприємств та транспорту. Рослини мають також велике естетичне та декоративне значення.
Тварини у місті представлені не тільки звичайними в природних екосистемах видами (у парках живуть птахи: горіхвістка, соловей, трясогузка; ссавці: полівки, білки та представники інших груп тварин), а й особливою групою міських тварин – супутників людини. У її складі - птахи (горобці, шпаки, голуби), гризуни (щури та миші), та комахи (таргани, клопи, моль). Багато тварин, пов'язані з людиною, харчуються покидьками на смітниках (галки, горобці). Це санітари міста. Розкладання органічних відходів прискорюють личинки мух та інші тварини та мікроорганізми.
Головна особливість екосистем сучасних міст у тому, що у них порушено екологічну рівновагу. Усі процеси регулювання потоків речовини та енергії людині доводиться брати він. Людина повинна регулювати як споживання містом енергії та ресурсів - сировини для промисловості та їжі для людей, так і кількість отруйних відходів, що надходять в атмосферу, воду та ґрунт у результаті діяльності промисловості та транспорту. Нарешті, він визначає і розміри цих екосистем, які в розвинених країнах, а останні роки і в Росії, швидко розповзаються за рахунок заміського котеджного будівництва. Райони низькоповерхової забудови зменшують площу лісів та сільськогосподарських угідь, їх «розповзання» вимагає будівництва нових шосейних доріг, що зменшує частку екосистем, здатних виробляти продукти харчування та здійснювати кругообіг кисню.
Промислове забруднення середовища.
У міських екосистемах найнебезпечніше для природи промислове забруднення.
Хімічний забруднення атмосфери. Цей чинник належить до найнебезпечніших життя людини. Найбільш поширені забруднювачі
Сірчистий газ, оксиди азоту, оксид вуглецю, хлор та ін. У деяких випадках з двох або відносно декількох відносно безпечних речовин, викинутих в атмосферу, під впливом сонячного світла можуть утворитися отруйні сполуки. Екологи налічують близько 2000 забруднювачів атмосфери.
Головні джерела забруднення – ТЕС. Сильно забруднюють атмосферу також котельні, нафтопереробні підприємства та автотранспорт.
Хімічне забруднення водойм. Підприємства скидають у водоймища нафтопродукти, сполуки азоту, фенол та багато інших відходів промисловості. При видобутку нафти водойми забруднюються засоленими видами, нафту і нафтопродукти також розливаються під час транспортування. У Росії її від нафтового забруднення найбільше страждають озера Півночі Західного Сибіру. Останніми роками зросла небезпека водних екосистем побутових стоків міської каналізації. У цих стоках підвищилася концентрація миючих засобів, які мікроорганізми важко розкладають.
Поки кількість забруднювачів, що викидаються в атмосферу або скидаються в річки, невелика, екосистеми самі можуть справитися з ними. При помірному забрудненні вода у річці стає практично чистою через 3-10 км від джерела забруднення. Якщо забруднювачів забагато, екосистеми не можуть з ними впоратися і починаються незворотні наслідки.
Вода стає непридатною для пиття та небезпечною для людини. Чи не годиться забруднена вода і для багатьох галузей промисловості.
Забруднення поверхні ґрунту твердими відходами. Міські звалища промислового та побутового сміття займають великі площі. У складі сміття можуть бути отруйні речовини, такі, як ртуть або інші важкі метали, хімічні сполуки, які розчиняються в дощових і снігових водах і потім потрапляють у водойми і грунтові води. Можуть потрапити у сміття та прилади, що містять радіоактивні речовини.
Поверхня ґрунту може бути забруднена золою, що осідає з диму ТЕЦ, що працюють на вугіллі, підприємств з виробництва цементу, вогнетривкої цегли і т.д. Для запобігання цьому забруднення на трубах встановлюють спеціальні пиловловлювачі.
Хімічне забруднення ґрунтових вод. Струми ґрунтових вод переміщують промислові забруднення великі відстані, і не завжди можна встановити їх джерело. Причиною забруднення може бути вимивання токсичних речовин дощовими та сніговими водами з промислових звалищ. Забруднення підземних вод відбувається і при видобутку нафти сучасними методами, коли для підвищення віддачі нафтових пластів у свердловини повторно закачують солону воду, що піднялася на поверхню разом із нафтою при її відкачуванні.
Засолені води потрапляють у водоносні горизонти, вода в колодязях набуває гіркого смаку і виявляється непридатною для пиття.
Шумове забруднення. Джерелом шумового забруднення може бути промислове підприємство чи транспорт. Особливо сильний шум роблять важкі самоскиди та трамваї. Шум впливає на нервову систему людини, і тому в містах та на підприємствах проводяться заходи щодо шумозахисту.
Залізничні та трамвайні лінії та дороги, якими проходить вантажний транспорт, потрібно виносити з центральних частин міст у малонаселені райони та створювати навколо них зелені насадження, що добре поглинають шум.
Літаки не повинні літати над містами.
Шум вимірюють децибелами. Тикання годинника - 10 дБ, шепіт - 25, шум від жвавої магістралі - 80, шум літака при зльоті - 130 дБ. Больовий поріг шуму - 140 дБ. На території житлової забудови вдень шум не повинен перевищувати 50-66 дБ.
Також до забруднювачів відносять: забруднення поверхні ґрунту відвалами розкривних порід та золи, біологічне забруднення, теплове забруднення, радіаційне забруднення, електромагнітне забруднення.
Забруднення атмосфери. Якщо прийняти за одиницю забрудненість повітря над океаном, то над селами вона вища у 10 разів, над невеликими містами – у 35 разів, а над великими містами – у 150 разів. Товщина шару забрудненого повітря над містом становить 1,5 – 2 км.
Найбільш небезпечними забруднювачами є бенз-а-пірен, діоксид азоту, формальдегід, пил. У Європейській частині Росії та на Уралі в середньому протягом року на 1 кв. км випадало понад 450 кг атмосферних забруднювачів.
Порівняно з 1980 р. кількість викидів діоксиду сірки зросла у 1.5 раза; 19 млн т атмосферних забруднювачів викинув в атмосферу автомобільний транспорт.
Скидання стічних вод у річки склало 68,2 куб. км. при постжитку 105,8 куб. км. Споживання води промисловістю становить 46%. Частка неочищених стічних вод з 1989 р. зменшується і становить 28%.
Через переважання західних вітрів Росія отримує від західних сусідів у 8-10 разів більше атмосферних забруднювачів, ніж відправляє до них.
Кислотні дощі негативно вплинули на половину лісів Європи, розпочався процес усихання лісів у Росії. У Скандинавії через кислотні опади, що надходять із Великобританії та ФРН, загинуло вже 20.000 озер. Під упливом кислотних дощів гинуть пам'ятки архітектури.
Шкідливі речовини, що виходять з димаря заввишки 100 м, розсіюються в радіусі 20 км, заввишки 250 м - до 75 км. Труба - чемпіон побудована на мідно-нікелевому комбінаті в Садбері (Канада) і має висоту понад 400 м.
Хлорфторвуглеці (ХФУ), що руйнують озоновий шар, потрапляють в атмосферу з газів охолоджувальних систем (у США - 48%, а в інших країнах - 20%), від використання аерозольних балончиків (у США - 2%, а кілька років тому їх продаж заборонили; інших країнах - 35%), розчинників, що використовуються у хімчистках (20%) та при виробництві пінопластів, включаючи стайроформ (25-
Основне джерело фреонів, що руйнують озоновий шар – промислові холодильники – рефрижератори. У звичайному побутовому холодильнику 350 г фреону, а у промислових – десятки кілограмів. Рефрижераторне господарство тільки в
Москві щорічно використовує 120 т фреону. Значна частина його через недосконалість обладнання перебуває у атмосфері.
Забруднення прісноводних екосистем. У Ладозьке озеро - резервуар питної води для шестимільйонного Санкт-Петербурга - 1989 р. було скинуто зі стічними водами 1,8 т фенолів, 69,7 т сульфатів, 116,7 т синтетичних поверхнево-активних речовин (ПАР).
Забруднює водні екосистеми та річковий транспорт. На озері Байкал, наприклад, плавають 400 суден різного розміру, вони скидають у воду близько 8 т нафтопродуктів на рік.
На більшості підприємств Росії токсичні відходи виробництва або скидають у водоймища, отруюючи їх, або накопичують, не переробляючи, нерідко у величезних кількостях. Ці скупчення смертоносних відходів можна назвати «екологічними мінами», при прориві дамб можуть опинитися у водоймах. Приклад такої «екологічної міни» – Череповецький хімічний комбінат «Аммофос». Його відстійник займає площу 200 га та містить 15 млн. т відходів. Дамбу, яка обгороджує відстійник, щороку піднімають на
4 м. На жаль «череповецька міна» – не єдина.
У країнах щорічно помирає 9 млн. людина. До 2000 р. питної води не вистачатиме більш ніж 1 млрд. чоловік.
Забруднення морських екосистем. У Світовий океан скинуто близько 20 млрд т сміття - від побутових стоків до радіоактивних відходів. Щороку за кожен 1 кв. км водної поверхні додають ще 17 т сміття.
Щорічно в океан виливається понад 10 млн. т нафти, що утворює плівку, що покриває 10-15% поверхні; а 5 г нафтопродуктів достатньо, щоб затягнути плівкою 50 кв. м водяної поверхні. Ця плівка не тільки зменшує випаровування та поглинання діоксиду вуглецю, але й викликає кисневе голодування та загибель ікри та молоді риб.
Радіаційне забруднення. Припускають, що до 2000 р. у світі накопичиться
1 млн. куб. м високоактивних радіоактивних відходів.
Природне радіоактивне тло впливає на кожну людину, навіть на ту, яка не стикається в роботі з АЕС або ядерною зброєю. Всі ми за своє життя отримуємо певну дозу радіації, 73% якої припадає на випромінювання природних тіл (наприклад, граніту у пам'ятниках, облицювання будинків та ін.), 14% - на медичні процедури (насамперед від відвідування рентгенівського кабінету) та 14% - На космічні промені. За життя (70 років) людина може без великого ризику набрати радіацію в 35 бер (7 бер від природних джерел, 3 бера від космічних джерел та рентгенівських апаратів). У зоні Чорнобильської АЕС у найбільш забруднених ділянках можна отримати до 1 беру за годину. Потужність випромінювання на покрівлі в період гасіння пожежі на АЕС досягала 30.000 рентгенів на годину і тому без радіаційного захисту (свинцевого скафандра) смертельну дозу опромінення можна було отримати за 1 хвилину.
Годинна доза радіації, смертельна для 50% організмів, становить 400 бер для людини, 1000-2000 – для риб та птахів, від 1000 до 150.000 – для рослин та 100.000 бер для комах. Таким чином, найсильніше забруднення – не перешкода для масового розмноження комах. З рослин найменш стійкі до радіації дерева та найбільш стійкі трави.
Забруднення побутовим сміттям. Кількість сміття, що накопичується, постійно зростає. Нині його на кожного городянина припадає від 150 до 600 кг на рік. Найбільше сміття виробляють у США (520 кг на рік на одного мешканця), у Норвегії, Іспанії, Швеції, Нідерландах – 200-300 кг, а у Москві – 300-320 кг.
Для того щоб у природному середовищі розклався папір, потрібно від 2 до 10 років, консервна банка – понад 90 років, фільтр від сигарети – 100 років, поліетиленовий пакет – понад 200 років, пластмаса – 500 років, скло – понад 1000 років.
Способи зменшення шкоди від хімічних забруднень
Найпоширеніші забруднення – хімічні. Існує три основні способи зменшення шкоди від них.
Розведення. Навіть очищені стоки необхідно розбавляти у 10 разів (а неочищені – у 100-200 разів). На підприємствах споруджують високі труби, щоб гази, що викидаються, і пил розсіювалися рівномірно. Розведення - малоефективний спосіб зменшення шкоди від забруднення, допустимий лише як тимчасовий захід.
Очищення. Це основний спосіб зменшення викидів шкідливих речовин у довкілля у Росії сьогодні. Однак у результаті очищення утворюється багато концентрованих рідких та твердих відходів, які також доводиться зберігати.
Заміна старих технологій новими – маловідходними. За рахунок глибшої переробки вдається знизити кількість шкідливих викидів у десятки разів. Відходи від виробництва стають сировиною іншому.
Образні назви цим трьом способам зменшення забруднення довкілля дали екологи ФРН: «подовжи трубу» (розведення розсіюванням), «заглуши трубу» (очищення) і «зав'яжи трубу вузлом» (маловідходні технології). Німці відновили екосистему Рейну, який довгі роки був стічною канавою, куди скидалися відходи промислових гігантів. Це вдалося зробити лише у 80-х роках, коли, нарешті, «зав'язали трубу вузлом».
Рівень забруднення середовища у Росії дуже високий, і екологічно несприятлива обстановка, небезпечна здоров'я населення, склалася майже 100 містах країни.
Деяке поліпшення екологічної ситуації у Росії досягнуто завдяки поліпшенню роботи очисних споруд та падіння виробництва.
Подальшого зменшення викидів отруйних речовин у довкілля можна досягти, якщо запровадити менш небезпечні маловідходні технології. Однак, щоб «зав'язати трубу вузлом», потрібне оновлення обладнання на підприємствах, що потребує дуже великих вкладень і тому проводитиметься поступово.
Міста та промислові об'єкти (нафтопромисли, кар'єри для розробок вугілля та руди, хімічні та металургійні комбінати) працюють за рахунок енергії, що надходить з інших промислових екосистем (енергетичного комплексу), та їх продукція - не рослинна та тваринна біомаса, а сталь, чавун та алюміній, різні машини та прилади, будівельні матеріали, пластмаси та багато іншого, чого немає в природі.
Проблеми екології міст – це насамперед проблеми зменшення викидів у навколишнє середовище різних забруднювачів та захист від міст води, атмосфери, ґрунту. Їх вирішують шляхом створення нових маловідходних технологій та виробничих процесів та ефективних очисних споруд.
Велику роль пом'якшення впливу факторів міського середовища на людину відіграють рослини. Зелені насадження покращують мікроклімат, уловлюють пил та гази, благотворно впливають на психічний стан городян.
Література:
Міркін Б.М., Наумова Л.Г. Екологія Росії. Підручник із Федерального комплекту для 9 - 11 класів загальноосвітньої школи. Вид. 2-ге, перероб.
І дод. - М: АТ МДС, 1996. - 272 з іл.
Спільнот) між собою та з місцем існування. Цей термін був уперше запропонований німецьким біологом Ернстом Геккелем у 1869 р. Як самостійна наука вона виділилася на початку XX століття поряд з фізіологією, генетикою та іншими. Область застосування екології - це організми, популяції та спільноти. Екологія розглядає їх як живий компонент системи, яку називають екосистемою. В екології поняття популяції – спільноти та екосистеми мають чіткі визначення.
Популяція (з погляду екології) – це група особин одного виду, що займає певну територію і, зазвичай, тією чи іншою мірою ізольована з інших подібних груп.
Спільнота – це будь-яка група організмів різних видів, що мешкають на одній площі та взаємодіють один з одним за допомогою трофічних (харчових) або просторових зв'язків.
Екосистема - це співтовариство організмів з навколишнім середовищем, що взаємодіють між собою і утворюють екологічну одиницю.
Всі екосистеми Землі об'єднуються в або екосферу. Зрозуміло, що неможливо охопити дослідженнями всю біосферу Землі. Тому точкою застосування екології є екосистема. Однак, екосистема, як видно з визначень, складається з популяцій, окремих організмів і всіх факторів неживої природи. Тому можливо кілька різних підходів у вивченні екосистем.
Екосистемний підхід.При екосистемному підході екологом вивчаються потік енергії та в екосистемі. Найбільший інтерес у цьому випадку є взаємовідносини організмів між собою і з навколишнім середовищем. Цей підхід дозволяє пояснити складну структуру взаємозв'язків в екосистемі та дати рекомендації щодо раціонального природокористування.
Вивчення спільнот. У цьому підході докладно вивчається видовий склад співтовариств та чинники, що обмежують поширення конкретних видів. У разі досліджуються чітко помітні біотичні одиниці (луг, ліс, болото тощо.).
підхід. Точкою застосування цього підходу, як випливає з назви, є населення.
Вивчення місць проживання. В даному випадку вивчається відносно однорідна ділянка середовища, де живе цей організм. Окремо, як самостійний напрямок досліджень, він зазвичай не застосовується, але дає необхідний матеріал для розуміння екосистеми в цілому.
Слід зазначити, що всі перелічені вище підходи в ідеалі повинні застосовуватися в комплексі, але зараз це практично неможливо через значні масштаби об'єктів, що досліджуються, і обмеженість кількості польових дослідників.
Екологія як наука використовує різноманітні методи дослідження, що дають змогу отримати об'єктивну інформацію про функціонування природних систем.
Методи екологічних досліджень:
- спостереження
- експеримент
- облік чисельності населення
- метод моделювання
Згадайте:
Що розуміють під природною та соціальною природою людини?
Відповідь. Людина, як і всі інші живі істоти – частина природи та продукт природної, біологічної еволюції. Людині, як і тварині, властиві інстинкти, життєві потреби. Існують також біологічно запрограмовані схеми поведінки людини як специфічного біологічного виду. Біологічні чинники, що визначають існування та розвиток визначаються набором генів у людини, балансом гормонів, що виробляються, обміном речовин та іншими біологічними факторами. Все це характеризує людину як біологічну істоту, визначає її біологічну природу. Але разом з цим він відрізняється від будь-якої тварини і насамперед такими рисами:
Виробляє своє власне довкілля (житло, одяг, знаряддя праці), а тварина не виробляє, тільки використовує те, що є;
Змінює навколишній світ не тільки за міркою своєї утилітарної потреби, але й за законами пізнання цього світу, так само як і за законами моральності та краси, тварина може змінювати свій світ тільки за потребою свого виду;
Може діяти не лише за потребою, а й за свободою своєї волі та фантазії, дія тварини ж орієнтується виключно на задоволення фізичної потреби (голод, інстинкт продовження роду, групові, видові інстинкти тощо);
Здатний діяти універсально, тварина ж лише стосовно конкретних обставин;
Свою життєдіяльність робить предметом (осмислено до неї ставиться, цілеспрямовано змінює, планує), тварина тотожна своєї життєдіяльності і не відрізняє її від себе.
Які фактори називають біотичними та абіотичними?
Відповідь. Абіотичні фактори – умови атмосфери, морських та прісних вод, ґрунту або донних відкладень) та фізичні, або кліматичні (температура, тиск, вітер, течії, радіаційний режим тощо). Будова поверхні (рельєф), геологічні та кліматичні відмінності земної поверхні створюють величезну різноманітність абіотичних факторів, що грають неоднакову роль у житті видів тварин, рослин і мікроорганізмів, що пристосувалися до них.
У чому проявляється різноманітність антропогенних чинників?
Відповідь. Антропогенні чинники дуже різноманітні. За природою антропогенні чинники поділяють на:
Механічні - тиск колесами автомобілів, вирубування лісів, перешкоди на шляху руху організмів тощо;
Фізичні – тепло, світло, електричне поле, колір, зміни вологості тощо;
Хімічні - дія різних хімічних елементів та їх сполук;
Біологічні – вплив інтродукованих організмів, розведення рослин та тварин, лісопосадки тощо.
Ландшафтні - штучні річки та озера, пляжі, ліси, луки та ін.
За часом походження та тривалістю дії антропогенні фактори поділяються на такі групи:
Чинники, зроблені у минулому: а) ті, які припинили свою дію, але її наслідки відчуваються і зараз (знищення певних видів організмів, надмірний випас худоби тощо); б) ті, що продовжують діяти і в наш час (штучний рельєф, водосховища, інтродукція тощо);
Фактори, що виробляються у наш час: а) ті, що діють лише в момент виробництва (радіохвилі, шум, світло); б) ті, що діють певний час та після закінчення виробництва (стійкі хімічні забруднення, вирубаний ліс та ін.).
Питання після § 9
Опишіть закономірності впливу екологічних факторів на організм?
Здатність організмів адаптуватися до певного діапазону мінливості факторів середовища називають екологічною пластичністю. Ця особливість є однією з найважливіших властивостей всього живого: регулюючи свою життєдіяльність відповідно до змін умов середовища, організми набувають можливості виживати та залишати потомство. Існують верхній та нижній межі витривалості.
Екологічні чинники впливають на живий організм разом та одночасно. При цьому дія одного фактора залежить від того, з якою силою та в якому поєднанні діють одночасно інші фактори. Ця закономірність дістала назву взаємодія факторів. Наприклад, спеку чи мороз легше переносити при сухому, а чи не при вологому повітрі. Швидкість випаровування води листям рослин (транспірація) значно вища, якщо температура повітря висока, а погода вітряна.
У деяких випадках нестача одного фактора частково компенсується посиленням іншого. Явище часткової взаємозамінності впливу екологічних чинників називається ефектом компенсації. Наприклад, в'янення рослин можна призупинити збільшенням кількості вологи в грунті, так і зниженням температури повітря, що зменшує транспірацію; у пустелях нестача опадів до певної міри поповнюється підвищеною відносною вологістю повітря в нічний час; в Арктиці тривалий світловий день влітку компенсує нестачу тепла.
Разом про те жоден із необхідних організму екологічних чинників може бути повністю замінений іншим. Відсутність світла робить життя рослин неможливим, незважаючи на найсприятливіші поєднання інших умов. Тому якщо значення хоча б одного з життєво необхідних екологічних факторів наближається до критичної величини або виходить за її межі (нижче за мінімум або вище максимуму), то, незважаючи на оптимальне поєднання інших умов, особам загрожує загибель. Такі фактори називаються такими, що обмежують (лімітують).
Що таке оптимум, межі витривалості?
Відповідь. Чинники середовища мають кількісний вираз. По відношенню до кожного фактора можна виділити зону оптимуму (зону нормальної життєдіяльності), зону пригнічення та межі витривалості організму. Оптимум - така кількість екологічного чинника, у якому інтенсивність життєдіяльності організмів максимальна. У зоні пригнічення життєдіяльність організмів пригнічена. За межами витривалості існування організму неможливе. Розрізняють нижню і верхню межу витривалості.
Який фактор називають таким, що обмежує?
Відповідь. Екологічний фактор, кількісне значення якого виходить за межі витривалості виду, називається фактор, що обмежує. Такий фактор обмежуватиме поширення виду навіть у тому випадку, якщо всі інші фактори будуть сприятливими. Обмежуючі чинники визначають географічний ареал виду. Знання людиною обмежують чинників у тому чи іншого виду організмів дозволяє, змінюючи умови довкілля, чи придушувати, чи стимулювати його розвиток.
Екологічними чинниками називають будь-які зовнішні чинники, які мають пряме чи опосередковане впливом геть чисельність (велика кількість) і географічне поширення організмів.
Екологічні фактори дуже різноманітні як за своєю природою, так і впливом на живі організми. Умовно всі фактори середовища прийнято поділяти на три великі групи – абіотичні, біотичні та антропогенні.
Абіотичні фактори– це фактори неживої природи.
Кліматичні (сонячне світло, температура, вологість повітря) та місцеві (рельєф, властивості ґрунту, солоність, течії, вітер, радіація тощо). Можуть бути прямими та непрямими.
Антропогенні фактори- це форми діяльності людини, які, впливаючи на довкілля, змінюють умови проживання живих організмів чи безпосередньо впливають окремі види рослин і тварин. Однією з найважливіших антропогенних чинників є забруднення.
Умови середовища.
Умовами середовища, або екологічними умовами, називають абіотичні фактори середовища, що змінюються в часі і просторі, на які організми реагують по-різному залежно від їх сили. Умови середовища накладають певні обмеження на організми.
До найбільш важливих факторів, що визначають умови існування організмів, практично у всіх середовищах життя відносяться температура, вологість та світло.
Температура.
Будь-який організм здатний жити тільки в межах певного інтервалу температур: особини виду гинуть при занадто високих або дуже низьких температурах. Межі температурної витривалості різних організмів різні. Існують види, здатні виносити коливання температури у межах. Наприклад, лишайники і багато бактерій здатні жити при різній температурі. Серед тварин найбільшим діапазоном температурної витривалості характеризуються теплокровні. Тигр, наприклад, однаково добре переносить як сибірський холод, і спеку тропічних областей Індії чи Малайського архіпелагу. Але є й такі види, які можуть жити лише у більш менш вузьких температурних межах. У наземно-повітряному середовищі і навіть у багатьох ділянках водного середовища температура не залишається постійною і може сильно змінюватись в залежності від сезону року або від часу доби. У тропічних областях річні коливання температури може бути навіть менш помітні, ніж добові. І навпаки, в помірних областях температура значно різниться у різні пори року. Тварини та рослини змушені пристосовуватися до несприятливого зимового сезону, протягом якого активне життя утруднене або просто неможливе. У тропічних областях такі пристрої виражені слабше. У холодному періоді з несприятливими температурними умовами у житті багатьох організмів хіба що настає пауза: сплячка в ссавців, скидання листя в рослин тощо. буд. Деякі тварини здійснюють тривалі міграції у місця з найбільш відповідним кліматом.
Вологість.
Вода є складовою значної більшості живих істот: вона необхідна їх нормального функціонування. Організм, що нормально розвивається, постійно втрачає воду і тому не може жити в абсолютно сухому повітрі. Рано чи пізно такі втрати можуть призвести до загибелі організму.
Найбільш простим та зручним показником, що характеризує вологість тієї чи іншої місцевості, є кількість опадів, що випадають тут за рік чи інший період часу.
Рослини витягують воду із ґрунту за допомогою коренів. Лишайники можуть уловлювати водяну пару з повітря. Рослини мають ряд пристроїв, що забезпечують мінімальну втрату води. Всі сухопутні тварини для компенсації неминучої втрати води за рахунок випаровування або виділення потребують її періодичного надходження. Багато тварин п'ють воду; інші, наприклад амфібії, деякі комахи і кліщі через покриви тіла всмоктують її в рідкому або пароподібному стані. Більшість тварин пустель ніколи не п'є. Вони задовольняють свої потреби за рахунок води, що надходить із їжею. Нарешті, є тварини, які отримують воду ще складнішим шляхом - у процесі окислення жирів, наприклад верблюд. У тварин, як і рослин, існує безліч пристосувань для економії витрат води.
Світло.
Розрізняють світлолюбні рослини, які здатні розвиватися тільки під сонячним промінням, і рослини тіньовитривалі, які здатні добре рости під пологом лісу. Це має велике практичне значення для природного відновлення деревостою: молода поросля багатьох деревних порід здатна розвиватися під прикриттям великих дерев. У багатьох тварин нормальні умови освітленості проявляються у позитивній чи негативній реакції на світло. Нічні комахи злітаються на світло, а таргани розбігаються у пошуках укриття, якщо тільки у темній кімнаті запалюють світло. Фотоперіодизм (зміна дня і ночі) має велике екологічне значення для багатьох тварин, які ведуть виключно денний спосіб життя (більшість гороб'ячих) або виключно нічний (багато дрібних гризунів, кажанів). Дрібні рачки, що ширяють у товщі води, тримаються вночі в поверхневих водах, а вдень опускаються на глибину, уникаючи надто яскравого світла.
Світло майже не безпосередньо впливає на тварин. Він служить лише сигналом до перебудови процесів, що протікають в організмі.
Світло, вологість, температура зовсім не вичерпують набір екологічних умов, що визначають життя та поширення організмів. Важливе значення мають такі чинники, як вітер, атмосферний тиск, висота над рівнем моря. Вітер має непряму дію: посилюючи випаровування, збільшує сухість. Сильний вітер сприяє охолодженню. Ця дія виявляється важливою в холодних місцях, на високогір'ях або полярних областях.
Антропогенні фактори.Антропогенні чинники дуже різноманітні за складом. Людина впливає на живу природу, прокладаючи дороги, будуючи міста, ведучи сільське господарство, перегороджуючи річки тощо. буд. Сучасна діяльність людини дедалі частіше проявляється у забрудненні довкілля побічними, часто отруйними продуктами. У промислових районах концентрації забруднюючих речовин досягають часом порогових, тобто смертельних багатьох організмів, значень. Однак, незважаючи ні на що, майже завжди знайдеться хоча б кілька особин кількох видів, здатних вижити за таких умов. Причина у цьому, що у природних популяціях рідко трапляються стійкі особини. З підвищенням рівня забруднень стійкі особини можуть виявитися єдиними, хто вижив. Більше того, вони можуть стати засновниками стійкої популяції, що успадкувала несприйнятливість цього виду забруднення. Тому забруднення дає нам можливість спостерігати еволюцію в дії. Однак, властивістю протистояти забрудненню, наділена не кожна популяція. Таким чином, дія будь-якої забруднюючої речовини подвійно.
Закон оптимуму.
Багато чинників переносяться організмом лише певних межах. Організм гине, якщо, наприклад, температура середовища дуже низька або занадто висока. У середовищі, де температура близька до цих крайніх значень, живі жителі трапляються рідко. Однак їх кількість збільшується, у міру того, як температура наближається до середнього значення, яке є найкращим (оптимальним) для цього виду. І цю закономірність можна перенести будь-який інший чинник.
Діапазон параметрів фактора, за яких організм почувається комфортно, є оптимальними. Організми з широкими межами стійкості, звісно, мають шанси ширше поширення. Однак широкі межі витривалості за одним фактором зовсім не означають широких кордонів за всіма факторами. Рослина може бути витривалою до великих коливань температури, але мати вузькі діапазони стійкості по відношенню до води. Тварина, подібна до форелі, може бути дуже вимогливою до температури, але харчуватися різноманітною їжею.
Іноді протягом життя особи її толерантність (виборчість) може змінитися. Організм, потрапляючи в суворі умови, через деякий час звикає, адаптується до них. Наслідком цього є зміна фізіологічного оптимуму, а процес називають адаптацієюабо акліматизацією.
Закон мінімумубув сформульований основоположником науки про мінеральні добрива Юстусом Лібіхом (1803-1873).
Ю. Лібіх виявив, що врожай рослин може обмежуватися будь-яким з основних елементів живлення, якщо тільки цей елемент перебуває у нестачі. Відомо, що різні фактори середовища можуть взаємодіяти, тобто нестача однієї речовини може призводити до дефіциту інших речовин. Тому в цілому закон мінімуму можна сформулювати наступним чином: елемент або фактор середовища, що знаходиться в мінімумі, найбільшою мірою обмежує (лімітує) життєдіяльність організму.
При всій складності взаємовідносин організмів та середовища їхнього існування не всі фактори мають однакове екологічне значення. Так, наприклад, кисень є фактором фізіологічної необхідності для всіх тварин, але з екологічної точки зору він стає лімітуючим лише в певних місцеперебуваннях. Якщо в річці гине риба, то в першу чергу має бути виміряна концентрація кисню у воді, оскільки вона дуже мінлива, запаси кисню легко виснажуються і часто не вистачає. Якщо природі спостерігається загибель птахів, потрібно шукати іншу причину, оскільки вміст кисню повітря постійно і досить з погляду вимог наземних організмів.
Запитання для самоперевірки:
Перелічіть основні середовища життя.
Що таке умови середовища?
Охарактеризуйте умови життя організмів у ґрунті, у водному та наземно-повітряному середовищах проживання.
Наведіть приклади пристосування організмів до проживання в різних середовищах проживання?
Назвіть пристосування організмів, які використовують інші організми як місце існування?
Який вплив має температура на різні види організмів?
Яким чином тварини та рослини отримують необхідну їм воду?
Який вплив має на організми освітленість?
Як виявляється вплив на організми забруднюючих речовин?
Обґрунтуйте, що таке екологічні фактори, яким чином вони впливають на живі організми?
Які фактори називають лімітуючими?
Що таке акліматизація і яке значення вона має у розселенні організмів?
Яким чином проявляються закони оптимуму та мінімуму?