Экологические факторы - это все факторы окружающей среды, действующие на организм. Они делятся на 3 группы:
Наилучшее значение фактора для организма называется оптимальным (точкой оптимума), например, оптимальная температура воздуха для человека - 22º.
Антропогенные факторы
Воздействия человека слишком быстро изменяют окружающую среду. Это приводит к тому, что многие виды становятся редкими и вымирают. Биологическое разнообразие уменьшается, из-за этого .
Например, последствия вырубки леса:
- Разрушается среда обитания для жителей леса (животных, грибов, лишайников, трав). Они могут полностью исчезнуть (уменьшение биоразнообразия).
- Лес своими корнями удерживает верхний плодородный слой почвы. Без поддержки почву может унести ветром (получится пустыня) или водой (получатся овраги).
- Лес с поверхности своих листьев испаряет очень много воды. Если убрать лес, то влажность воздуха в данной местности уменьшится, а влажность почвы увеличится (может образоваться болото).
1. Выберите три варианта. Какие антропогенные факторы оказывают влияние на численность популяции кабанов в лесном сообществе?
1) увеличение численности хищников
2) отстрел животных
3) подкармливание животных
4) распространение инфекционных заболеваний
5) вырубка деревьев
6) суровые погодные условия зимой
Ответ
2. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие антропогенные факторы оказывают влияние на численность популяции ландыша майского в лесном сообществе?
1) вырубка деревьев
2) увеличение затененности
4) сбор дикорастущих растений
5) низкая температура воздуха зимой
6) вытаптывание почвы
Ответ
3. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие процессы в природе относят к антропогенным факторам?
1) разрушение озонового слоя
2) суточное изменение освещённости
3) конкуренция в популяции
4) накопление в почве гербицидов
5) взаимоотношения хищников и их жертв
6) усиление парникового эффекта
Ответ
4. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие антропогенные факторы оказывают влияние на численность растений, занесенных в Красную книгу?
1) разрушение среды их жизни
2) увеличение затенённости
3) недостаток влаги в летний период
4) расширение площадей агроценозов
5) резкие перепады температур
6) вытаптывание почвы
Ответ
5. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. К антропогенным экологическим факторам относят
1) внесение органических удобрений в почву
2) уменьшение освещённости в водоёмах с глубиной
3) выпадение осадков
4) прореживание саженцев сосны
5) прекращение вулканической деятельности
6) обмеление рек в результате вырубки лесов
Ответ
6. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие экологические нарушения в биосфере вызваны антропогенным вмешательством?
1) разрушение озонового слоя атмосферы
2) сезонные изменения освещённости поверхности суши
3) падение численности китообразных животных
4) накопление тяжёлых металлов в телах организмов вблизи автострад
5) накопление в почве гумуса в результате листопада
6) накопление осадочных пород в недрах Мирового океана
Ответ
1. Установите соответствие между примером и группой экологических факторов, которые он иллюстрирует: 1) биотические, 2) абиотические
А) зарастание пруда ряской
Б) увеличение численности мальков рыб
В) поедание мальков рыбы жуком-плавунцом
Г) образование льда
Д) смыв в реку минеральных удобрений
Ответ
2. Установите соответствие между процессом, происходящим в лесном биоценозе, и экологическим фактором, который он характеризует: 1) биотический, 2) абиотический
А) взаимоотношения тлей и божьих коровок
Б) заболачивание почвы
В) суточное изменение освещенности
Г) конкуренция между видами дроздов
Д) повышение влажности воздуха
Е) воздействие гриба-трутовика на берёзу
Ответ
3. Установите соответствие между примерами и экологическими факторами, которые этими примерами иллюстрируются: 1) абиотический, 2) биотический. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) повышение давления атмосферного воздуха
Б) изменение рельефа экосистемы, вызванное землетрясением
В) изменение численности популяции зайцев в результате эпидемии
Г) взаимодействие между волками в стае
Д) конкуренция за территорию между соснами в лесу
Ответ
4. Установите соответствие между характеристикой фактора среды и его видом: 1) биотический, 2) абиотический. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) ультрафиолетовые излучения
Б) пересыхание водоемов во время засухи
В) миграции животных
Г) опыление растений пчелами
Д) фотопериодизм
Е) уменьшение численности белок в неурожайные годы
Ответ
Ответ
6ф. Установите соответствие между примерами и экологическими факторами, которые этими примерами иллюстрируются: 1) абиотический, 2) биотический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) возрастание кислотности почвы, вызванное извержением вулкана
Б) изменение рельефа биогеоценоза луга после наводнения
В) изменение численности популяции кабанов в результате эпидемии
Г) взаимодействие между осинами в экосистеме леса
Д) конкуренция за территорию между самцами тигров
Ответ
7ф. Установите соответствие между экологическими факторами и группами факторов: 1) биотический, 2) абиотический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) суточные колебания температуры воздуха
Б) изменение продолжительности дня
В) отношение хищник-жертва
Г) симбиоз водоросли и гриба в лишайнике
Д) изменение влажности среды
Ответ
Ответ
2. Установите соответствие между примерами и экологическими факторами, которые этими примерами иллюстрируются: 1) Биотические, 2) Абиотические, 3) Антропогенные. Запишите цифры 1, 2 и 3 в правильном порядке.
А) Осенний листопад
Б) Высадка деревьев в парке
В) Образование азотной кислоты в почве во время грозы
Г) Освещенность
Д) Борьба за ресурсы в популяции
Е) Выбросы фреонов в атмосферу
Ответ
3. Установите соответствие между примерами и экологическими факторами: 1) абиотический, 2) биотический, 3) антропогенный. Запишите цифры 1-3 в порядке, соответствующем буквам.
А) изменение газового состава атмосферы
Б) распространение семян растений животными
В) осушение болот человеком
Г) увеличение численности консументов в биоценозе
Д) смена времен года
Е) вырубка лесов
Ответ
Ответ
Ответ
1. Выберите три верных ответа из шести и запишите в цифры, под которыми они указаны. К уменьшению численности белок в хвойном лесу приводят следущие факторы:
1) сокращение численности хищных птиц и млекопитающих
2) вырубка хвойных пород деревьев
3) урожай еловых шишек после теплого сухого лета
4) увеличение активности хищников
5) вспышка эпидемий
6) глубокий снежный покров зимой
Ответ
Ответ
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Уничтожение лесов на обширных территориях приводит к
1) повышению в атмосфере количества вредных примесей азота
2) нарушению озонового слоя
3) нарушению водного режима
4) смене биогеоценозов
5) нарушению направления воздушных потоков
6) сокращению видового разнообразия
Ответ
1. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Среди экологических факторов укажите биотические.
1) наводнение
2) конкуренция между особями вида
3) понижение температуры
4) хищничество
5) недостаток света
6) образование микоризы
Ответ
2. Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. К биотическим факторам относятся
1) хищничество
2) лесной пожар
3) конкуренция между особями разных видов
4) повышение температуры
5) образование микоризы
6) недостаток влаги
Ответ
1. Выберите три верных ответа из шести и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. Какие из перечисленных факторов окружающей среды относятся к абиотическим?
1) температура воздуха
2) загрязнение парниковыми газами
3) наличие неперерабатываемого мусора
4) наличие дороги
5) освещённость
6) концентрация кислорода
Ответ
2. Выберите три верных ответа из шести и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны. К абиотическим относятся факторы:
1) Сезонная миграция птиц
2) Извержение вулкана
3) Появление торнадо
4) Строительство бобрами платины
5) Образование озона во время грозы
6) Вырубка лесов
Ответ
3. Выберите три верных ответа из шести и запишите в ответе цифры под которыми они указаны. К абиотическим компонентам экосистемы степи относят:
1) травянистую растительность
2) ветровую эрозию
3) минеральный состав почвы
4) режим выпадения осадков
5) видовой состав микроорганизмов
6) сезонный выпас домашнего скота
Ответ
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Какие факторы среды могут быть ограничивающими для ручьевой форели?
1) пресная вода
2) содержание кислорода менее 1,6 мг/л
3) температура воды +29 градусов
4) соленость воды
5) освещенность водоема
6) скорость течения реки
Ответ
1. Установите соответствие между фактором среды и группой, к которой он относится: 1) антропогенные, 2) абиотические. Запишите цифры 1 и 2 в правильном порядке.
А) искусственное орошение земель
Б) падение метеорита
В) распашка целины
Г) весенний разлив вод
Д) сооружение плотины
Е) движение облаков
Ответ
2. Установите соответствие между характеристикой среды и экологическим фактором: 1) антропогенный, 2) абиотический. Запишите цифры 1 и 2 в порядке, соответствующем буквам.
А) вырубка лесов
Б) тропические ливни
В) таяние ледников
Г) лесопосадки
Д) осушение болот
Е) увеличение продолжительности дня весной
Ответ
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. Изменить численность продуцентов в экосистеме могут следующие антропогенные факторы:
1) сбор цветущих растений
2) увеличение численности консументов первого порядка
3) вытаптывание растений туристами
4) уменьшение влажности почвы
5) вырубка дуплистых деревьев
6) увеличение численности консументов второго и третьего порядков
Ответ
Прочитайте текст. Выберите три предложения, в которых описаны абиотические факторы. Запишите цифры, под которыми они указаны. (1) Основной источник света на Земле – Солнце. (2) У светолюбивых растений, как правило, сильно рассеченные листовые пластинки, большое число устьиц в эпидермисе. (3) Влажность среды – важное условие существования живых организмов. (4) У растений в ходе эволюции выработались приспособления для поддержания водного баланса организма. (5) Существенное значение для живых организмов имеет содержание углекислого газа в атмосфере.
Ответ
Выберите три верных ответа из шести и запишите цифры, под которыми они указаны. При резком сокращении численности насекомых-опылителей на лугу со временем
1) сокращается число насекомоопыляемых растений
2) возрастает численность хищных птиц
3) увеличивается количество травоядных животных
4) увеличивается численность ветроопыляемых растений
5) изменяется водный горизонт почвы
6) уменьшается численность насекомоядных птиц
Ответ
© Д.В.Поздняков, 2009-2019
Но, к сожалению, его действия далеко не всегда оказывают положительное влияние, поэтому мы можем наблюдать антропогенные факторы среды.
Условно их разделяют на косвенные и прямые, что в своей совокупности дает представление о человеческом влиянии на изменения в органическом мире. Ярким примером прямого влияния можно считать отстрел животных, лов рыбы, и т.п. Несколько иначе выглядит картина с косвенным воздействием деятельности человека, ведь здесь речь пойдет об изменениях, которые образуются в результате промышленного вмешательства в естественный ход природных процессов.
Таким образом, антропогенные факторы являются прямым или косвенным результатом человеческой деятельности. Так, стремясь обеспечить комфорт и удобства для существования, человек изменяет ландшафт, химический и физический состав гидросферы и атмосферы, влияет на климат. В конце концов, одним из самых серьезных вмешательств, считается в результате которого это моментально и существенно сказывается на здоровье и жизненных показателях самого человека.
Антропогенные факторы условно подразделяют на несколько видов: физические, биологические, химические и социальные. Человек находится в постоянном развитии, поэтому и его деятельность связанна с непрекращающимися процессами с использованием атомной энергии, минеральных удобрений, химикатов. В конце концов, сам человек злоупотребляет вредными привычками: курение, алкоголь, наркотики и т.д.
Не стоит забывать и о том, что антропогенные факторы оказывают огромное влияние и на среду обитания самого человека, а от этого напрямую зависит психическое и физическое здоровье всех нас. Особенно это стало ощутимо за последние десятилетия, когда стало возможно отметить резкое возрастание антропогенных факторов. Мы уже стали свидетелями Земли, исчезновения некоторых видов животных и растений, общего сокращения биологического разнообразия планеты.
Человек является биосоциальным существом, поэтому можно выделить социальную и его обитания. Люди находятся и пребывают, в зависимости от состояния своего организма, в постоянном тесном контакте с другими особями живой природы. В первую очередь можно сказать, что антропогенные факторы могут самым положительным образом сказываться на качестве жизни человека, его развитии, однако также могут приводить и к крайне неблагоприятным последствиям, ответственность за которые стоит также в значительной мере брать на себя.
Хотелось бы не упустить из внимания физические факторы среды, к которым относится влажность, температура, излучения, давление, ультразвук, фильтрование. Стоит ли говорить о том, что для каждого биологического вида существует своя оптимальная температура жизнедеятельности и развития, поэтому это в первую очередь влияет на выживание многих организмов. Влажность является не менее важным фактором, именно поэтому контроль воды в клетках организма считается приоритетным направлением в осуществлении благоприятных условий существования.
Живые организмы моментально реагируют на изменения условий окружающий среды, и потому так важно обеспечить максимальный комфорт и благоприятные условия для жизнедеятельности. Только от нас зависит, в каких условиях будем жить мы и наши дети.
Простые цифры говорят о том, что на 50 % состояние здоровья зависит от нашего образа жизни, следующие 20 % - выпадают на долю нашей среды обитания, еще 17 % мы обязаны наследственности, и только около 8 % от органов здравоохранения. наше питание, физическая активность, общение с окружающим миром - вот главные условия, которые влияют на укрепление организма.
Антропогенные факторы
¨ Антропогенные факторы – это совокупность различных воздействий человека на неживую и живую природу. Действие человека в природе огромно и чрезвычайно многообразно. Воздействие человека может быть прямым и косвенным . Наиболее очевидное проявление антропогенного влияния на биосферу – загрязнение окружающей среды.
Влияние антропогенного фактора в природе может быть как сознательным , так и случайным, или неосознанным .
К сознательным относятся - распашка целинных земель, создание агроценозов (сельскохозяйственных угодий), расселение животных, загрязнение среды.
К случайным относятся воздействия, происходящие в природе под влиянием человеческой деятельности, но не были заранее предусмотрены и запланированы им - распространение различных вредителей, случайный завоз организмов, непредвиденные последствия, вызванные сознательными действиями (осушение болот, постройка плотин и т.д.).
Предложены и другие классификации антропогенных факторов: изменяющиеся закономерно, периодически и изменяющиеся без каких-либо закономерностей.
Существуют и другие подходы к классификации экологических факторов:
Ø по очередности (первичный и вторичный);
Ø по времени (эволюционный и исторический);
Ø по происхождению (космический, абиотический, биогенный, биотический, биологический, природно- антропогенный);
Ø по среде возникновения (атмосферный, водный, геоморфологический, эдафический, физиологический, генетический, популяционный, биоценотический, экосистемный, биосферный);
Ø по степени воздействия (летальный - приводящий живой организм к гибели, экстремальный, лимитирующий, беспокоящий, мутагенный, тератогенный – приводящий к уродствам в ходе индивидуального развития).
Популяция Л-3
Термин «популяция» был впервые введен в 1903 г. Йогансеном.
Популяция - это элементарная группировка организмов определенного вида, обладающая всеми необходимыми условиями для поддержания своей численности необозримо длительное время в постоянно изменяющихся условиях среды.
Популяция - это совокупность особей одного вида, которая обладает общим генофондом и занимает определенную территорию.
Вид - это сложная биологическая система, состоящая из группировок организмов- популяций.
Структура популяции характеризуется составляющими ее особями и их распределением в пространстве. Функции популяции – рост, развитие, способность поддерживать существование в постоянно меняющихся условиях.
В зависимости от размеров занимаемой территории выделяют три типа популяций :
Ø элементарные (микропопуляция) - это совокупность особей вида, занимающих какой-то небольшой участок однородной площади. В состав входят генетически однородные особи;
Ø экологические - формируется как совокупность элементарных популяций. В основном это внутривидовые группировки, слабо изолированные от других экологических популяций. Выявление свойств отдельных экологических популяций является важной задачей в познании свойств вида в определении его роли в том или ином местообитании;
Ø географические - охватывают группу особей, населяющих территорию с географически однородными условиями существования. Географические популяции занимают сравнительно большую территорию, довольно разграничены и относительно изолированы. Они отличаются плодовитостью, размерами особей, рядом экологических, физиологических, поведенческих и др. особенностей.
Популяция обладает биологическими особенностями (свойственными всем составляющим ее организмам) и групповыми особенностями (служат уникальными характеристиками группы).
К биологическим особенностям относится наличие жизненного цикла популяции, ее способность к росту, дифференцировке и самоподдержанию.
К групповым особенностям относят рождаемость, смертность, возрастную, половую структуру популяции и генетическую приспособляемость (эта группа признаков относится только к популяции).
Различают следующие типы пространственного распределения особей в популяциях:
1. равномерный (регулярный) - характеризуется равным удалением каждой особи от всех соседних; величина расстояния между особями соответствует порогу, за которым начинается взаимное угнетение,
2. диффузный (случайный) -встречается в природе чаще- особи распределены в пространстве неравномерно, случайно,
3. агрегированный (групповой, мозаичный) – выражается в образовании группировок особей, между которыми остаются достаточно большие незаселенные территории.
Популяция является элементарной единицей эволюционного процесса, а вид есть его качественный этап. Важнейшими являются количественные характеристики.
Выделяют две группы количественных показателей :
1. статические – характеризуют состояние популяции на данном этапе;
2. динамические – характеризуют процессы, протекающие в популяции за какой-то промежуток (интервал) времени.
К статистическим показателям популяций относятся:
Ø численность,
Ø плотность,
Ø показатели структуры.
Численность популяции - это общее количество особей на данной территории или в данном объеме.
Численность никогда не бывает постоянной и зависит от соотношения интенсивности размножения и смертности. В процессе размножения происходит рост популяции, смертность приводит к сокращению ее численности.
Плотность популяции определяется количеством особей или биомассой на единицу площади либо объема.
Различают :
Ø среднюю плотность - это численность или биомасса на единицу всего пространства;
Ø удельная или экологическая плотность - численность или биомасса на единицу обитаемого пространства.
Важнейшим условием существования популяции или ее экотипа является их толерантность к факторам (условиям) среды. Толерантность у разных особей и к разным частям спектра разная, поэтому толерантность популяции значительно шире, чем у отдельных особей.
Динамика популяции – это процессы изменений ее основных биологических показателей во времени.
Основными динамическими показателями (характеристиками) популяций являются:
Ø рождаемость,
Ø смертность,
Ø скорость роста популяции.
Рождаемость - способность популяции к увеличению численности за счет размножения.
Различают следующие виды рождаемости:
Ø максимальная;
Ø экологическая.
Максимальная, или абсолютная, физиологическая рождаемость - появление теоретически максимально возможного количества новых особей в индивидуальных условиях, т. е. при отсутствии лимитирующих факторов. Этот показатель - постоянная величина для данной популяции.
Экологическая, или реализуемая, рождаемость обозначает увеличение популяции при фактических, или специфических, условиях среды, Она зависит от состава, размера популяции и фактических условий среды.
Смертность - характеризует гибель особей популяций за определенный период времени.
Различают:
Ø специфическую смертность - число смертей по отношению к числу особей, составляющих популяцию;
Ø экологическую или реализуемую, смертность – гибель особей в конкретных условиях среды (величина непостоянная, изменяется в зависимости от состояния природной среды и состояния популяции).
Любая популяция способна к неограниченному росту численности, если ее не лимитируют факторы внешней среды абиотического и биотического происхождения.
Эта динамика описывается уравнением А. Лотки : d N / d t ≈ r N
N – численность особей; t - время; r - биотический потенциал
Антропогенные факторы, их влияние на организмы.
Антропогенные факторы - это формы деятельности человека, влияющие на живые организмы и условия среды их обитания:рубка, вспашка, орошение, выпас, строителсьтво водохранилищ, водо–нефте-газопроводов, прокладка дорог, ЛЭП и др. Воздействие деятельности человека на живые организмы и условия среды их обитания могут быть прямыми и косвенными. Например, вырубая деревья в лесу при заготовке древесины он оказывает прямое воздействия на вырубаемые деревья (валка, очистка от ветвей, распиловка, вывоз и др.) и одновременно оказывает косвенное воздействие на растения древесного полога, изменяя условия среды их обитания: освещение, температуру, циркуляции воздуха и т.д. На лесосеке из-за изменения условий среды обитания дальше не смогут жить и развиваться тенелюбивые растения и все организмы, связанные с ними. Среди абиотических факторов выделяют климатические (освещение, температура, влажность, ветер, давление и др.) и гидрографические (вода, течение, соленость, проточный стоячий и др) факторы.
Факторы, влияющие на организмы и условия среды их обитания изменяются в течение суток, по сезоном года и по годам (температура, количество осадков, освещение и др). Поэтому различают регулярно меняющиеся и возникающие спонтанно(неожиданно) факторы. Регулярно меняющиеся факторы называются периодическими факторами. К ним относятся смена дня и ночи, сезонов года, приливы и отливы и др. К воздействию этих факторов живые организмы адаптировались в результате длительной эволюции. Факторы, возникающие спонтанно называются непериодическими. К ним относятся извержение вулканов, наводнение, пожары, селевые потоки, нападение хищника на жертву и др. К воздействию не пероидических факторов живые организмы не адаптированы и не имеют каких-либо приспособлений. Поэтому они приводят к гибели, увечью и болезням живых организмов, разрушают их местообитания.
Непериодические факторы человек нередко использует в своих интересах. Например, для улучшения возобновления травостоя пастбищ и сенокосов он устраивает весной пал, т.е. поджигает старую растительность; используя пестециды и гербициды уничтожает вредителей сельскохозяйственных культур, сорняков полей и огородов, уничтожает болезнотворных микроогранизмов, бактерии и беспозвоночных и тд
Совокупность факторов одного рода составляет верхний уровень понятий. Нижний уровень понятий связан с познанием отдельных экологических факторов (табл. 3).
Таблица 3 - Уровни понятия «экологический фактор»
Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.
Закон оптимума . Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организмы. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида (рис. 5).
Рисунок 5 – Зависимость результаты действия экологического фактора от его интенсивности
Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума ). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Пределы выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды. Точки, ограничивающие его, т.е. максимальная и минимальная температуры, пригодные для жизни, - это пределы устойчивости. Между зоной оптимума и пределами устойчивости растение испытывает все нарастающий стресс, т.е. речь идет о стрессовых зонах, или зонах угнетения в рамках диапазона устойчивости. По мере удаления от оптимума в конечном итоге по достижении пределов устойчивости организма происходит его гибель.
Виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, маловыносливые виды называют стенобионтными (узкая экологическая валентность), а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке, выносливые - эврибионтными (широкая экологическая валентность) (рис. 6).
Рисунок 6 – Экологическая пластичность видов (по Ю. Одум, 1975)
Эврибионтность способствует широкому распространению видов. Стенобионтность обычно ограничивает ареалы.
Отношение организмов в колебаниям того или иного определенного фактора выражается прибавлением приставки эври- или стено- к названию фактора. Например, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы, к концентрации солей – эври- и стеногалинные, к свету – эври- и стенофотные и т.д.
Закон минимума Ю.Либиха. Немецкий агроном Ю.Либих в 1870 году в первые установил, что урожай (продукция) зависит от фактора, находящегося в среде обитания в минимуме, и сформулировая закон минимума, который гласит: “веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай и определяется величина и устойчивость последного во времени”.
Формилируя закон Либих имел в виду, лимитирущие воздействие на растений жизненно важных химических элементов, присутствующих в среде их обитания в небольших и непостоянных количествах. Эти элементы называются микроэлементами. К ним относятся: медь, цинк, железо, бор, кремний, молибден, ванадий, кобальт, хлор, иод, натрий. Микроэлементы, подобно витаминам, действуют как катализаторы, химические элементы фосфор, калий, кальций, магний, сера, требующиеся организмам в сравнительно большом почестве называются макроэлементами. Но, если этих элементов в почве содержится больше, чем необходимо для нормальный жизнедеятельности организмов, то они также являются лимитирующими. Таким образом, микро- и макроэлементов в среде обитания живых организмов должно содержаться столько, сколько небоходимо для их нормального существования и жизнедеятельности. Измение содержания микро- и макроэлементов в сторону уменьшения или увеличения от необходимого количества-лимитирует существование живых организмов.
Ограничивающие факторы среды определяют географический ареал вида. Природа этих факторов может быть различной. Так, продвижение вида на север может лимитироваться недостатком тепла, в пустынные районы - недостатком влаги или слишком высокими температурами. Ограничивающим распространение фактором могут служить и биотические отношения, например занятость данной территории более сильным конкурентом, либо недостаток опылителей для растений.
Закон толерантности В.Шелфорда. Любой организм в природе способен переносить воздействие периодических факторов как в сторону уменшения, так и в сторону их увеличение до определенного предела в течение определенного времени. На основе этой способности живых организмов американский зоолог В. Шелфорд в 1913 году сформулировал закон толерантности (от лат «tolerantica»-терпение: способность организма переносить вляние факторов среды обитания до определенного предела), который гласит “Отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатом (количественно или качественно), но и избытком любого из факторов (света, тепла, воды), уровень которых может оказаться близким к пределам переносимого данным организмым”. Эти два предела: экологический минимум и эклогический максимум, воздействие которых выдерживает живой организм, называются пределами толерантности (терпимости), например, если некий организм способен жить при температуре от 30°С до - 30°С, то предел его толерантности лежит в пределах этих температур.
Эвробионты, благодаря широкой толерантности, или широкой экологической амплитуде, широко распространены, более устойчивы к воздействию факторов среды, т е. более жизнестойки. Отклонения воздействия факторов от оптимума угнетает живой организм. Экологичесая валентность у одних организмов узкая (например, снежный барс, грецкий орех, в пределах умеренной зоны), у других-широкая (например, волк, лиса, заяц, тростник, одуванчик и др.).
После открытия этого закона были проведены многочисленные исследования, благодаря которым стали известны пределы существования для многих растений и животных. Таким примером является влияние загрязняющего атмосферный воздух вещества на организм человека. При значениях концентрации С лет человек погибает, но необратимые изменения в его организме происходят при значительно меньших концентрациях: С лим. Следовательно, истинный диапазон толерантности определяется именно этими показателями. Значит, их необходимо экспериментально определять для каждого загрязняющего или любого вредного химического соединения, и не допускать превышения его содержания в конкретной среде. В санитарной охране окружающей среды важны не нижние пределы устойчивости к вредным веществам, а верхние пределы, т.к. загрязнение окружающей среды – это и есть превышение устойчивости организма. Ставится задача или условие: фактическая концентрация загрязняющего вещества С факт не должна превышать С лим. С факт < С лим. С ¢ лим является предельно допустимой концентрации С ПДК или ПДК.
Взаимодействие факторов. Оптимальная зона и пределы выносливости организмов по отношению к какому-либо фактору среды могут смещаться в зависимости от того, с какой силой и в каком сочетании действуют одно временно другие факторы. Например, жару легче переносить в сухом, но не во влажном воздухе. Угроза замерзания значительно выше при морозе с сильным ветром, чем в безветренную погоду. Таким образом, один и тот, же фактор в сочетании с другими оказывает неодинаковое экологическое воздействие. Создается эффект частичного взаимозамещения факторов. Например, увядание растений можно приостановить путем как увеличения количества влаги в почве, так и снижения температуры воздуха, уменьшающего испарение.
Однако взаимная компенсация действия факторов среды имеет определенные пределы, и полностью заменить один из них другим нельзя. Крайний дефицит тепла в полярных пустынях нельзя восполнить ни обилием влаги, ни круглосуточной освещенностью.
Группы живых организмов по отношению к факторам среды:
Свет или солнечная радиация . Всем живым организмам для осуществления процессов жизнедеятельности необходима энергия, поступающая извне. Основным источником ее является солнечная радиация, на которую приходится около 99,9% в общем балансе энергии Земли. Альбедо – доля отраженного света.
Важнейшие процессы, протекающие у растений и животных с участием света:
Фотосинтез . В среднем 1-5% падающего на растения света используется для фотосинтеза. Фотосинтез – источник энергии для всей остальной пищевой цепи. Свет необходим для синтеза хлорофилла. С этим связаны все адаптации растений по отношению к свету – листовая мозаика (рис. 7), распределение водорослей в водных сообществах по слоям воды и т.д.
По требованию к условиям освещения принято делить растения на следующие экологические группы:
Светолюбивые или гелиофиты – растения открытых, постоянно хорошо освещаемых местообитаний. Их световые адаптации заключаются в следующем – мелкие листья, часто рассеченные, в полдень могут повернуться ребром к солнцу; листья толще, могут быть покрыты кутикулой или восковым налетом; клетки эпидермиса и мезофилла мельче, палисадная паренхима многослойная; междоузлия короткие и т.д.
Тенелюбивые или сциофиты – растения нижних ярусов тенистых лесов, пещер и глубоководные растения; они плохо переносят сильное освещение прямыми солнечными лучами. Могут фотосинтезировать даже при очень низкой освещенности; листья темно-зеленые, крупные и тонкие; палисадная паренхима однослойная и представлена более крупными клетками; ярко выражена листовая мозаика.
Теневыносливые или факультативные гелиофиты – могут переносить большее или меньшее затенение, но хорошо растут и на свету; они легче других растений перестраиваются под влиянием изменяющихся условий освещения. К этой группе относятся лесные и луговые травы, кустарники. Адаптации формируются в зависимости от условий освещения и могут перестраиваться при изменении светового режима (рис. 8). Примером могут служить хвойные деревья, которые выросли на открытых пространствах и под пологом леса.
Транспирация - процесс испарения воды листьями растений для снижения температуры. Примерно 75 % падающей на растения солнечной радиации расходуется на испарение воды и таким образом усиливает транспирацию; это важно в связи с проблемой сохранения воды.
Фотопериодизм . Важен для синхронизации жизнедеятельности и поведения растений и животных (особенно их размножения) с временами года. Фототропизм и фотонастии у растений важны для обеспечения растениям достаточной освещенности. Фототаксис у животных и одноклеточных растений, необходим для нахождения подходящего местообитания.
Зрение у животных . Одна из главнейших сенсорных функций. Понятие видимого света для различных животных различно. Гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра; пчелы – ближе к ультрафиолетовой области. У животных, обитающих в местах, куда не проникает свет, глаза могут быть полностью или частично редуцированы. Животные, ведущие ночной или сумеречный образ жизни плохо различают цвета и видят все в черно-белом изображении; кроме того, у таких животных размер глаз часто гипертрофирован. Свет, как средство ориентации играет важную роль в жизни животных. Многие птицы во время перелетов ориентируются с помощи зрения по солнцу или звездам. Такой же способностью обладают некоторые насекомые, например, пчелы.
Прочие процессы . Синтез витамина Д у человека. Однако, длительное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызывать повреждение тканей, особенно у животных; в связи с этим выработались защитные приспособления – пигментация, поведенческие реакции избегания и т.п. Определенное сигнальное значение у животных играет биолюминесценция, то есть способность светиться. Световые сигналы, испускаемые рыбами, моллюсками, другими водными организмами, служат при привлечения добычи, особей противоположного пола.
Температура . Тепловой режим – важнейшее условие существования живых организмов. Главным источником тепла является солнечное излучение.
Границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до +50 о С. Однако, целый ряд организмов обладает специализированными ферментными системами и приспособлены к активному существованию при температуре тела, выходящей за указанные пределы (табл. 5). Самая низкая при которой найдены живые существа -200°С, а самая высокая до +100 °С.
Таблица 5 - Температурные показатели различных сред жизни (0 С)
По отношению к температуре все организмы подразделяются на 2 группы: холодолюбивые и теплолюбивые.
Холодолюбивые (криофилы) способны жить в условиях относительно низких температур. При температуре -8°С живут бактерии, грибы, моллюски, черви, членистоногие и др. Из растений: древесные в Якутии выдерживают температуру -70°С. В Антарктиде при такой же температуре обитают лишайники, отдельные виды водорослей, пингвины. В лабораторных условиях семена, споры некоторых растений, нематоды переносят температуру абсолютного нуля -273,16°С. Приостановка всех жизненных процессов называется анабиозом .
Теплолюбивые организмы (термофилы ) – обитатели жарких районов Земли. Это – беспозвоночные (насекомые, паукообразные, моллюски, черви), растения. Многие виды организмов способны переносить очень высокие температуры. Например, пресмыкающиеся, жуки, бабочки выдерживают температуру до +45-50°С. На Камчатке живут сине-зеленые водоросли при температуре +75-80°С, верблюжья колючка переносит температуру +70°С.
Беспозвоночные, рыбы, пресмыкающиеся, земноводные лишены способности поддерживать постоянную температуру тела в узких границах. Их называют пойкилотермными или хладнокровными. Они зависят от уровня тепла, поступающего извне.
Птицы и млекопитающие способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от окружающей температуры. Это – гомойотермные, или теплокровные организмы . Они не зависят от внешних источников тепла. Благодаря высокой интенсивности обмена веществ у них вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохраняться.
Температурные адаптации организмов : Химическая терморегуляция - активное увеличение теплопродукции в ответ на понижение температуры; физическая терморегуляция - изменение уровня теплоотдачи, способность удерживать тепло или наоборот рассеивать тепло. Волосяной покров, распределение жировых запасов, размер тела, строение органов и т.п.
Поведенческие реакции – перемещение в пространстве позволяет избегать неблагоприятных температур, спячка, оцепенение, сбивание в кучу, миграции, рытье нор и т.д.
Влажность. Вода – важный экологический фактор. Все биохимические реакции протекают в присутствии воды.
Таблица 6 –Содержание воды в различных организмах (% от массы тела)
Антропогенные факторы – это совокупность влияний хозяйственной деятельности человека на окружающую природную среду как среду обитания других видов.
Природные экосистемы обладают значительной устойчивостью и упругостью, что помогает переносить периодические нарушающие воздействия и нередко довольно хорошо восстанавливаться после многих периодических антропогенных нарушений. Экосистемы от природы адаптированы к таким воздействиям.
Однако хронические (постоянные) нарушения могут привести к выраженным и устойчивым негативным последствиям, особенно в случае загрязнения атмосферного воздуха, природных вод и почв опасными химическими веществами. В таких случаях эволюционная история адаптации уже не помогает организмам и антропогенный стресс может стать для них основным лимитирующим фактором.
Антропогенный стресс экосистем подразделяют на две группы:
- острый стресс , для которого характерно внезапное начало, быстрая интенсивность и небольшая продолжительность нарушений;
- хронический стресс , при котором нарушения невысокой интенсивности долго продолжаются или часто повторяются, т.е. это «постоянно беспокоящее» воздействие.
Природные экосистемы обладают значительной способностью справляться с острым стрессом или восстанавливаться после него. Степень стабильности экосистем различна и зависит от жесткости воздействия и от эффективности внутренних механизмов. Выделяют два типа стабильности:
Резистентная устойчивость – способность оставаться в устойчивом состоянии под нагрузкой.
Упругая устойчивость – способность быстро восстанавливаться.
Хроническое воздействие антропогенных факторов вызывает существенные изменения в структуре и функционировании экосистем, которые могут иметь катастрофические последствия. Последствия хронического стресса труднее оценить – иногда лишь спустя многие годы могут проявиться последствия стресса. Так, потребовались годы, чтобы выявить связь между заболеванием раком и курением или хроническим, слабым ионизирующим излучением.
Если человечество в ближайшие десятилетия не приложит усилий по сдерживанию процесса ухудшения качества окружающей среды, то загрязняющие вещества вполне могут стать лимитирующим фактором для индустриальной цивилизации.
3.4. Экологическая валентность видов и лимитирующие факторы
Амплитуда колебания фактора, при которой могут существовать организмы, называется экологической валентностью вида . Организмы с широкой экологической валентностью называются эврибионтными, с узкой – стенобионтными.
Рисунок 2. Сравнение относительных пределов толерантности стенотермных и эвритермных организмов
(по Ю. Одуму, 1986)
У стенотермных видов минимум, оптимум и максимум сближены (рис. 2). Стенобионтность и эврибионтность характеризуют различные типы приспособления организмов к выживанию. Так, по отношению к температуре различают эври- и стенотермные организмы, по отношению к содержанию солей – эври- и стеногалинные, по отношению к свету – эври- и стенофотные, по отношению к пище – эври- и стенофагные.
Экологическая валентность вида тем шире, чем в более разнообразных условиях он обитает. Так, прибрежные формы более эвритермны и эвригалинны, чем морские, где температура и соленость воды более постоянны.
Таким образом, организмы могут характеризоваться как экологическим минимумом , так и экологическим максимумом . Диапазон между этими двумя величинами называют пределом толерантности .
Любое условие, приближающиеся к пределу толерантности или превышающее его, называется лимитирующим условием или лимитирующим фактором. Лимитирующий фактор – фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма. Лимитирующий фактор ограничивает любое проявление жизнедеятельности организма. С помощью лимитирующих факторов регулируется состояние организмов и экосистем.
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток некоторых факторов, например, таких как тепло, свет и вода.При стационарном состоянии лимитирующим будет то жизненно важное вещество, доступные количества которого наиболее близки к необходимому минимуму. Эта концепция известна как « закон минимума» Либиха .
В 1840 г. немецкий химик Ю.Либих впервые сделал вывод о том, что выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Данный вывод был сделан в результате изучения влияния разнообразных факторов на рост растений. Было установлено, что растения часто лимитируются не теми элементами питания, которые требуются в больших количествах (например, СО 2 и вода, которые в избытке), а теми, которые требуются в ничтожных количествах (например, цинк), но которых и в окружающей среде очень мало.
Закон «минимума» Либиха имеет два вспомогательных принципа :
1. Ограничительный – закон строго применим только в условиях стационарного состояния, т.е. когда приток и отток энергии и веществ сбалансированы. При нарушении равновесия изменяется скорость поступления веществ и экосистема начинает зависеть также от других факторов.
2. Взаимодействие факторов – высокая концентрация или доступность одного вещества или фактора может изменять скорость потребления элемента питания, содержащегося в минимальном количестве. Иногда организм способен заменять, хотя бы частично, дефицитный элемент другим, химически близким.
Изучая различное лимитирующее действие экологических факторов (таких как свет, тепло, вода) американский зоолог Виктор Эрнест Шелфорд в 1913 г., пришел к выводу, что лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток факторов. В экологию представление о лимитирующем влиянии максимума наравне с минимумом известно как «закон толерантности» В.Шелфорда .
Организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий диапазон в отношении другого. Организмы с широким диапазоном толерантности по всем факторам среды обычно наиболее широко распространены.
Важность концепции лимитирующих факторов состоит в том, что она дает экологу отправную точку при исследовании сложных ситуаций. При исследовании экосистем исследователь в первую очередь должен уделять внимание тем факторам, которые функционально наиболее важны.