Життя і місце існування

1. Життя і місце існування

Життя і місце існування

основи екології

Життя кожного організму протікає в співтоваристві з особинами свого виду і з іншими видами. Благополуччя істот нерозривно пов'язано і з природними умовами. До одному середовищі організми в змозі пристосуватися, інша для їх існування виявляється неможливою. Навколишнє нас життя - це впорядкована і стійка система взаємин, відповідна плану Творця про створюваний світі, що зазнав ряд змін унаслідок гріхопадіння людини, сукупність організмів, що чутливо реагують на зовнішні умови змінами в популяціях.

У цьому розділі ви дізнаєтеся про закономірності життєдіяльності різних співтовариств живих істот в різноманітних умовах зовнішнього середовища, про фактори, що визначають стійкість, розвиток і зміну біологічних систем.

Екологія як наука. Екологічні фактори середовища

Предмет і завдання екології. У суспільно-політичній і науково-популярній літературі під екологією зазвичай розуміється надзвичайно вузький аспект цієї науки - наявність або відсутність забруднень в довкіллі. Спектр питань, що вивчаються екологами, значно ширше. Екологія (грец. Oikos будинок, житло) - наука про взаємини живих організмів між собою і взаємодію їх з місцем існування. Термін увійшов в науку в середині XIX століття, набув широкого поширення через публікації праць німецького дослідника Е. Геккеля.

Вивченням взаємин організму і середовища займаються і інші науки. Фізіологія досліджує реакції організму на зовнішні впливи, етологія (наука про поведінку) теж розглядає взаємодію істот і середовища, а генетика - особливості реакції організму на зовнішні умови в залежності від генотипу.

Екологія розглядає природні явища в характерному для неї аспекті. У завдання екології входить вивчення закономірностей розселення популяцій на різних територіях, зміни їх чисельності і круговороту речовин, що відбувається при їх участі, а також дослідження ланцюгів отримання енергії різними спільнотами організмів.

Групу популяцій, що мешкають на певній території і об'єднаних мережею взаємин, називають співтовариством, або біоценозом. Біоценоз складають, наприклад, організми лісу або ставка. Термін був запропонований в 1877 році німецьким зоологом К. Мебіусом. Разом з неживими компонентами середовища (грунтом, водою і ін.) Спільноти утворюють біогеоценози, частіше звані просто екологічними системами. Екологія, таким чином, вивчає природні об'єкти на чотирьох послідовних рівнях: організмовому, популяційно-видовому, биоценотическом і екосистемному.

На організмовому рівні екологів цікавлять характеристики особин, що визначають їх чисельність і розподіл в регіонах, участь в круговороті речовин, можливість адаптації до різних факторів середовища: температурі, вологості, солоності води, освітленості місць проживання. Предметом досліджень є склад і кількість необхідної їжі, інтенсивність фотосинтезу, особливості обміну речовин, а також плодючість, швидкість росту і тривалість життя. Цей розділ екології називають аутоекологія (грец. Autos сам), або "екологією особин".

Популяційна екологія вивчає віковий склад популяцій, генотипи і фенотипи особин, ступінь їх спорідненості, динаміку чисельності і просторове розселення популяцій. З'ясовано, наприклад, що для виживання африканських слонів необхідно стадо не менше ніж з 15 особин, для північних оленів потрібно стадо в 300-400 голів, а життєздатну зграю бакланів складають 10 тис. Птахів. Чисельність популяцій визначається і іншими факторами. Коні і бізони тільки в стаді можуть оборонятися від хижаків, а вовки тільки зграєю можуть полювати на велику здобич. У той же час надмірна чисельність популяції призводить до загострення конкуренції і недоліку харчових ресурсів.

На биоценотическом рівні екологів цікавить видовий склад співтовариств, що населяють екосистему. Зазвичай це сотні і тисячі різних видів. У складі співтовариств мешкають в тісній взаємодії тварини і рослини, гриби, бактерії і віруси. З плином часу з різних причин змінюються умови зовнішнього середовища, видовий склад співтовариств, їх просторове розміщення. Дослідженням всього комплексу цих явищ займається екосистемна екологія. Підкреслюючи тісний зв'язок процесів усередині кожної популяції з усією екосистемою, популяційної та екосистемну екологію іноді об'єднують одним терміном - сінекологія (грец. Syn разом).

Поряд зі сформованими розділами екології рослин і екології тварин бурхливо розвивається нова область - екологія мікроорганізмів. Гідроекологія вивчає водні екосистеми, лісознавство - лісові екосистеми, палеоекологія реконструює спільноти древніх організмів.

Екологічні знання дозволяють правильно вести промисел коштовних тварин і риб, розвивати сільське господарство і промисловість, що не виснажуючи ресурси і не руйнуючи природу. Важливість таких наукових досліджень особливо велика в наші дні, коли інтенсивне технічний розвиток цивілізації стало помітно порушувати збалансованість природних процесів. Для збереження навколишнього середовища властивий сучасній людині однобокий технократичний підхід у відносинах з природою повинен бути замінений на екологічне мислення.

Екологічні фактори. Вчення про екологічні чинники є одним з ключових біологічних розділів екології. Вплив природного середовища на співтовариства, популяції, види і окремі особини визначається її компонентами, які і називають екологічними факторами. Будь-яка група організмів оточена природним середовищем, під якою екологи мають на увазі всі чинники живої і неживої природи. Розрізняють три групи факторів природного середовища.

Абіотичні фактори обумовлені властивостями неорганічного оточення. Сюди відносяться компоненти клімату: світло, температура, вологість, тиск, підводні течії і вітру, тривалість дня, зміна пір року; хімічний склад повітря, води і грунту, наявність в грунті поживних речовин, її водопроникність і вологоємкість; радіаційний фон.

Біотичні чинники включають відносини між особинами всередині виду, а також з особинами інших видів. Комахи збирають нектар і переносять пилок рослин, хижаки поїдають жертв, бактерії виробляють отрути, що руйнують клітини живих організмів. Обпадає листя служать їжею і житлом комахою і мікроорганізмам.

Важливим фактором є кількість і якість їжі, її вплив на плодючість і тривалість життя особин. З'ясовано, наприклад, що дрібним тваринам необхідно більше їжі на одиницю маси, ніж великим, а теплокровних - більше, ніж організмам з непостійною температурою. Синиця лазоревка (11 г) щодня споживає їжу в кількості 30% власної маси, співочий дрізд (90 г) - 10%, а Сарич (900 г) - всього 4,5%.

Антропогенні чинники включають безпосереднє втручання людини (полювання, рибна ловля, вирубка лісів і ін.) І забруднення природи внаслідок нерозумної господарської діяльності. На великих територіях людина знищує природні співтовариства (випалює і вирубує ліси, осушує болота) з метою створення штучних сільськогосподарських співтовариств - агроценозів. Серед необхідних йому рослин і тварин людина виробляє штучний відбір, різко відрізняється від природного своїми наслідками.

Багато абіотичні фактори середовища впливають на швидкість протікання біоенергетичних процесів в організмах, вплив біотичних факторів дещо складніше. Однак для будь-якого екологічного чинника можна виділити три зони дії: оптимальну, зону пригноблення і загибелі. Так, за фактором середньорічної температури північний захід європейської частини Росії є оптимальною зоною для хвойних дерев, що утворюють там основні масиви. Ця ж температура є зоною пригноблення для листяних дерев. Навіть Дрібнолисті рослина береза ​​на північному заході Росії значно дрібніші, ніж в середній смузі. Для евкаліптів і пальм ця зона температур згубна.

Багато пальмові рослини виростають до нормальних розмірів на чорноморському узбережжі південного берега Криму, але не приносять в цих умовах життєздатного насіння. Розмноження їх в цьому регіоні можливо тільки в спеціальних розплідниках з подальшою висадкою. Природні умови Причорномор'я є для пальмових зоною гноблення, їх поширення в цьому регіоні визначається антропогенним фактором.

Дія екологічних факторів завжди взаємне. Мала кількість азоту в грунті знижує посухостійкість злаків. Велика кількість харчових ресурсів підвищує стійкість організмів до кліматичних впливів. Оптимальна температура дозволяє істотам розширити діапазон пріспособліваемості до нестачі їжі і несприятливої ​​вологості. Позитивне взаємодія факторів не безмежне. Погану освітленість, наприклад, не можна замінити ні надлишком тепла, ні достатком вологи.

У природі будь-який чинник може виявитися критичним для поширення виду. Так, якщо в грунті відсутній малозначущий, на перший погляд, елемент бор, зростання рослин буде сильно пригнічений або навіть неможливий незалежно від кількості поживних речовин і кліматичних умов. Якщо кислотність грунту перевищує оптимальну для жита або пшениці, то ніякі агротехнічні заходи, крім раскісліванія грунту (наприклад, вапнуванням), не приведуть до підвищення врожайності.

Фактори, що знижують життєздатність організмів, носять назву обмежують. Значення обмежуючих факторів вперше було встановлено в 1840 році німецьким хіміком Ю. Лібіх, засновником грунтознавства. Вивчаючи вплив на зростання рослин хімічних речовин грунту, учений сформулював принцип, згідно з яким величина і стійкість урожаю визначається речовиною, що містяться в критично малій кількості.

Рослина недоторка в'яне, якщо повітря не насичений водяними парами, а ковила добре переносить посуху. Струмкова форель благополучно живе в воді з вмістом кисню не менше 2 мг / л, але якщо ця величина падає нижче 1,6 мг / л, форель гине. Нестача кисню - обмежуючий фактор для форелі. Озерні риби - короп, сом - пристосовані до життя в застійних водах з низьким вмістом кисню. Дрібні водоймища в літню спеку інтенсивно прогріваються; з підвищенням температури вміст кисню в воді падає, і ніякі риби там нездібні мешкати. В особливо спекотні роки в водоймах відбуваються замори, аналогічні зимовим. Літні замори бувають в Балтійському і Азовському морях. Висока температура, як і щільний крижаний покрив, позбавляє водних мешканців кисню.

При поширенні видів тварин і рослин на північ обмежуючим фактором крім низької зимової температури є і сума ефективних літніх температур. Розвиток ікри форелі відбувається при температурі не нижче 0 ° С - це значення служить порогом розвитку. При температурі 2 ° С мальки покидають оболонку через 205 днів, при 5 ° С - через 82 дня, а при 10 ° С - через 41 день. Твір температури на дні розвитку (сума ефективних температур) залишається у мальків приблизно постійною величиною, рівною 410. Для зацвітання мати-й-мачухи потрібно сума температур 77, для кислиці - 453, а для суниці - 500. Ці значення обмежують географічне поширення видів. Для рису і бавовнику потрібно величина 2000-4000, ці культури не можуть рости в середній смузі. Для ячменю досить всього 1600-1900, і він благополучно росте в помірних широтах. Поширення деревної рослинності обмежене липневою ізотермою 10-12 ° С, далі лісова зона змінюється тундрою.

У період зростання і розвитку організми чутливіші до дії різних факторів. Межі витривалості для мальків, личинок і яєць зазвичай вужчий, ніж для дорослих організмів. Лососі благополучно переносять зміни температури води від -2 ° С до + 20 ° С, а їх ікра розвивається лише в діапазоні від 0 ° С до + 12 ° С. Багато видів крабів здатні просуватися по річках далеко вгору, але їх личинки в прісній воді розвиватися не можуть. Ареал птахів визначається прийнятним для яєць і пташенят кліматом. Дорослі гусениці озимої совки - шкідника зернових та овочевих культур тайгової і степової зон - переносять морози до -11 ° С, а гусениці молодшого віку - лише до -5 ° С. Дуже низька або дуже висока вологість грунту - обмежуючий фактор для личинок сільськогосподарського шкідника жука-Щелкунов. Для боротьби з цією комахою проводять осушення або сильне зволоження грунту, що викликають загибель личинок.

Обмежують для поширення виду можуть бути і біотичні чинники, наприклад, наявність сильніших конкурентів у хижих тварин або недолік запилювачів у рослин.

Здатність до змін в популяціях дозволяє організмам декілька згладжувати дію обмежуючих факторів. Пристосовність організмів завжди носить інтегральний характер, істоти адаптуються до всього комплексу екологічних чинників, а не до якогось одного. Комплекс факторів, необхідних для існування певного виду, включаючи його зв'язку з іншими видами в екосистемі, називається екологічною нішею.

питання

1. Що вивчає екологія? Охарактеризуйте чотири рівні екологічних досліджень, наведіть приклади.
2. Що називають екологічними факторами? Які групи факторів вам відомі?
3. Наведіть приклади обмежує дії екологічних факторів.
4. Що розуміють під екологічною нішею?

Абіотичні чинники середовища: світло і вологість

Серед абіотичних чинників найбільше значення мають кліматичні чинники: світло, вологість і температура.

Світло. Сонячне випромінювання - основне джерело енергії для більшості організмів планети. Автотрофні рослини використовують сонячне світло для побудови клітин і тканин. Вони перетворюють енергію світла в енергію хімічних зв'язків АТФ, використовуваних для синтезу органічних сполук. Надалі енергія зелених рослин перерозподіляється між іншими організмами відповідно до харчовими відносинами. На синтез біомаси використовується до 1% надходить на Землю сонячної енергії.

У сонячному світлі важливі три спектральні діапазони, що розрізняються по біологічному впливу: ультрафіолет, видимий і інфрачервоне світло.

Ультрафіолет з довжиною хвилі менше 0,29 мкм викликає інтенсивну денатурацію біополімерів і згубний для всього живого. Він затримується озоновим шаром атмосфери, поверхні землі досягає лише невелика частина ультрафіолетових променів (0,3-0,4 мкм), в невеликих кількостях корисних тваринам і людині. Без них рослини набувають надмірно витягнуту форму. Під їх впливом утворюється вітамін D.

Видиме світло складається з блакитних, зелених, помаранчевих і червоних променів (0,4-0,75 мкм) і складає велику частину променистої енергії. Зелені рослини здійснюють фотосинтез органічних сполук за рахунок енергії видимої частини спектра. Видимі промені вільно проходять крізь хмари і воду, тому фотосинтез можливий і в похмуру погоду, і в водоймах на глибині в десятки і сотні метрів (у червоних водоростей).

Найбільш сприятливі оранжево-червоні промені (0,6-0,7 мкм). Синьо-фіолетові промені (0,4-0,5 мкм) поглинаються хлорофілом, каротиноїдами і іншими компонентами клітини, але вони удвічі менш ефективні, ніж оранжево-червоні. Найменшу біологічну активність мають зелені промені (0,5-0,6 мкм), вони не поглинаються рослинами, і більшість рослин мають зелений колір.

Інфрачервоні промені (більше 0,75 мкм) не сприймаються оком людини, але на їх частку припадає до 40% загальної кількості променистої енергії. Вони зігрівають рослини і тварин, добре поглинаються грунтом і водою. Істотна частина інфрачервоних променів, що надходять від Сонця, а також власне теплове випромінювання Землі поглинаються вуглекислим і деякими іншими газами, підвищуючи температуру атмосфери і створюючи парниковий ефект.

Залежно від вимогливості до кількості світла рослини можуть бути світлолюбними (хлібні злаки, береза) або тіньовитривалими (лісові чагарники, мохи), в лісі вони займають різні екологічні ніші - різні яруси лісу.

Тварини використовують сонце для географічної орієнтації. Деякі комахи здатні розрізняти ультрафіолетові промені, це дозволяє їм успішно орієнтуватися на місцевості в хмарну погоду. У зв'язку з добовим світловим ритмом у більшості тварин активність доводиться на денний час, лише деяка частина організмів пристосована до нічного способу життя - вони займають свою екологічну нішу.

Хемотрофних і частина гетеротрофних організмів здатні обходитися без світла, вони живуть в глибоких шарах грунту, печерах і океанічних глибинах. Для більшості організмів світло необхідне, вони пристосовані до певного режиму освітленості. Для істот важливі не тільки довжина хвилі і інтенсивність світла, але і тривалість його впливу.

Фотоперіодізм. Навесні в організмах включаються фізіологічні процеси, что прізводять до зростання и Цвітіння рослин, у птахів прокідаються гніздові інстинкти. З наближенням осені рослини скидають листя, тварини линяють і накопичують жир, птиці збиваються в перелітні зграї, у комах настає стадія спокою. Сигналом для всіх цих змін служить тривалість дня, з астрономічною точністю визначає час року. Реакцію організмів на тривалість дня називають фотопериодизмом.

Якщо сіянці берези штучно висвітлювати більше 15 годин на добу, то вони ростуть безперервно, якщо ж тривалість опромінення знизити до 10-12 годин, сіянці скидають листя і переходять в стан зимового спокою навіть в дуже теплому приміщенні. Зміна забарвлення і обпадання осіннього листя відбувається в дерев в жорсткі календарні терміни і не виявляє прямої залежності від погоди. У Європейській частині Росії початок вересня буває теплішим кінця серпня, проте, листопад завжди починається у вересні. Багато листопадних дерев середньої смуги - дуб, верба, граб, бук - у південних умовах з довгим днем ​​стають вічнозеленими.

Комахи навіть при високій температурі зі зменшенням тривалості дня впадають в стан зимового спокою. Якщо гусінь метелика-капусниці містити в умовах довгого дня, то з лялечки швидко виходить метелик, якщо тривалість освітленості скоротити до 14 годин на добу, то навіть влітку формується зімующая лялечка, яка не розкривається багато місяців.

Широко поширені види в різних частинах ареалу по-різному реагують на тривалість дня. Ріст і розвиток личинок в метелика стрельчатки щавлевої припиняється в районі Сухумі при довжині дня 14,5 годин, Вітебська - 18, Санкт-Петербурга - 19,5 годин.

Дотримання організмів ходу власного біологічного годинника має вирішальне значення для виживання. Погода часто виявляється оманливою: спекотна осінь раптом змінюється заморозками, а тимчасові похолодання можуть статися і влітку, але організми з неодмінно слід календарем. Біологічний годинник деяких рослин здатні "відраховувати" роки. Передпосівної обробкою холодом вдається змістити стрілки біологічного годинника насіння на рік вперед і досягти колосіння озимих при весняному посіві, а цвітіння і плодоношення дворічних рослин - вже в перший рік.

Вивчення фотопериодизма в життєдіяльності організмів дозволило збільшити ефективність використання одомашнених рослин і тварин. При штучному освітленні в теплицях цілорічно вирощуються овочі, квіти, розсада, підвищується несучість на птахофермах.

Фотоперіодизм у людей виражається в більшій оптимальної тривалості сну взимку (на 1-2 години). Ця різниця збільшується при переміщенні до полюса (тобто з подовженням ночі) і практично не залежить від клімату.

Вологість. Біохімічні реакції в клітинах протікають у водному середовищі. Вода - прекрасний розчинник, вона ідеально пристосована для транспорту поживних речовин, гормонів і виведення продуктів обміну. Тому регуляція кількості води в живих організмах складає їх найважливішу фізіологічну функцію.

Від наявності води в екосистемі залежить характер її флори і фауни. При надлишку води розвивається болотна рослинність, а її недолік формує пустинний ландшафт. Рівень вологості визначає інтенсивність впливу температурного фактора. Якщо вологість занадто низька або висока, температура надає особливо сильний вплив, а при оптимальній вологості істотам легше переносити температури, близькі до меж витривалості.

Для проживання в посушливих умовах організми мають спеціальні пристосування. У посухостійких рослин розвинена коренева система (довжина коренів верблюжої колючки досягає 16 м), багато хто з них мають густе опушення, товстий шар воску, що перешкоджають випаровуванню. Саксаул в жаркий період втрачає листя, здійснюючи фотосинтез в зелених стеблах; вологолюбні рослини в подібних умовах в'януть і гинуть. Пустельні тварини як джерело вологи запасають жир, при окисленні якого утворюється велика кількість води.

питання

1. Охарактеризуйте вплив на живі істоти трьох основних спектральних діапазонів сонячного світла.
2. Що розуміють під фотопериодизмом? Чому з настанням осені листя дерев жовтіють?
3. Наскільки важливо для живих істот "стежити" за довготою дня?
4. Розкажіть про корисні властивості води. З яких причин вода необхідна організмам?