Биотические факторы среды В природе существуют сложные и разносторонние связи как внутри популяций, так и между популяциями различных видов. Своей жизнедеятельностью организмы оказывают влияние на другие организмы, формируя так называемую биотическую среду.
Под биотическими факторами понимают конкретные формы таких взаимодействий. Они носят самый разнообразный характер. Одни организмы могут служить пищей для других или являться для них средой обитания, другие настолько связаны между собой, что не могут существовать по отдельности. Не менее сложны отношения между особями в пределах популяции.
В 1939 г. учёные Клементс и Шелфорд дали таким взаимодействиям наименование «коакции», т.е. взаимодействия.
Выделяют 2 типа взаимодействий, или реакций: внутривидовые, или гомотипические (греч. homoios - «одинаковый»), и межвидовые, или гетеротипические (греч. heteros - «разный»).
Биотические отношения
Эффект группы
Эффект группы, или групповой эффект, - это оптимизация физиологических процессов, ведущая к повышению жизнеспособности особей при их совместном существовании. Это влияние группы как таковой и числа особей в группе на поведение, физиологию, развитие и размножение особей своего вида через различные органы чувств.
Многие насекомые (сверчки, тараканы, саранчовые, тли и др.) в группе растут и созревают быстрее, чем в одиночку. Эффект группы проявляется у очень многих видов, которые могут нормально размножаться и выживать только в том случае, когда они объединяются в крупные группы.
Одним из наиболее ярких примеров, подтверждающих данное положение, может служить баклан Бугенвиля, гнездящийся на скалистых островах вдоль тихоокеанского побережья Южной Америки, в частности у берегов Перу. Баклан может нормально существовать лишь при условии, если в его колонии насчитывается не менее 10 000 особей и на 1 м2 площади размещается 3 гнезда.
Известно, что для выживания стада африканских слонов в нём должно быть не менее 25 особей, а наиболее продуктивные стада северных оленей состоят не менее чем из 300 - 400 особей. В огромные стада собираются мигрирующие антилопы гну.
Рис. 3. Африканские слоны Рис. 4. Северные олени
Крупные колонии образуют императорские пингвины.
Рис. 5. Императорские пингвины Рис. 6. Антилопы гну
Эффект группы проявляется как психофизиологическая реакция каждой конкретной особи на присутствие других особей своего вида.
Например, у овец вне стада учащаются пульс и дыхание, а при виде приближающегося стада эти процессы нормализуются. У одиночно зимующих летучих мышей уровень метаболизма значительно выше, чем у зимующих большими скоплениями. Повышенные затраты энергии ведут к истощению организма, что часто заканчивается его гибелью.
Эффект группы проявляется в ускорении темпов роста животных, повышении плодовитости и средней продолжительности жизни индивидуума и т.д. В группе животные способны поддерживать оптимальную температуру. Особенно наглядно это демонстрируется примерами общественных насекомых - пчёл, муравьёв.
Рис. 7. Муравейник Рис. 8. Ёж
Животные, ведущие одиночный образ жизни, не подчиняются эффекту группы. Если таких животных искусственно заставить жить вместе, у них повышается раздражительность, учащаются столкновения, многие физиологические показатели отклоняются от нормы. У типичных одиночек, например у ежей, в группе потребление кислорода повышается до 134%.
Эффект массы
Популяции большинства организмов испытывают колебания плотности (численности). Повышение плотности популяции обычно имеет отрицательное значение для жизни особей из-за недостатка пищи, самоотравления среды, массовых заболеваний и т.д.
В перенаселённых группах мышей, крыс размножение иногда совсем прекращается.
Эффект массы вызывается не только психическими взаимодействиями между особями (стрессовые ситуации), но и изменениями в среде обитания, происходящими при чрезмерном увеличении плотности популяции. Например, при размножении жучка мучного хрущака в муке постоянно накапливаются экскременты, что приводит к ухудшению качества муки как среды обитания. В результате наблюдается резкий спад плодовитости и повышение смертности на всех стадиях развития жука - от яйца до имаго, т.е. взрослого насекомого
Для каждого вида животных существует оптимальный размер группы и оптимальная плотность популяции. Данная закономерность известна как принцип Олли .
Внутривидовая конкуренция
Внутривидовая конкуренция как форма взаимодействия между особями одного вида также относится к гомотипическим реакциям. Формы проявления внутривидовой конкуренции различны. Например, это может быть территориальное поведение, когда животное защищает место своего размножения и окружающее его пространство.
Рис. 9. Самцы антилопы
Рис. 10. Самцы колюшки
К внутривидовой конкуренции относится и социальная иерархия, характеризующаяся появлением в популяции особей доминирующих и подчинённых.
Рис. 11. Походный порядок в стаде павианов
Исследователь Ирвин де Воре в течение многих лет изучал жизнь павианов в Африке. Оказывается, даже когда стадо павианов находится в походе, каждое животное занимает в нём строго определённое место. Самки, детёныши и самцы-вожаки находятся в центре стада, а по краям, выполняя роль охраны, - молодые самцы. В случае серьёзной опасности, при появлении леопарда, вперёд выходят вожаки, так называемые альфа-самцы.
Конкуренция (лат. concurro - «сталкиваться») - взаимоотношения организмов, при которых они используют одни и те же ресурсы окружающей среды при дефиците последних.
Рис. 12. Борьба рыси и росомахи за добычу
Различают два вида конкуренции - прямую и косвенную. При прямой конкуренции борьба особей-соперников нередко приводит к столкновениям. Так, росомаха может пытаться отнять у рыси добытого зайца.
Косвенная конкуренция - это конкуренция, которая не предполагает непосредственного взаимодействия особей. Она происходит опосредованно.
Рис. 13. Г.Ф. Гаузе
Классическим примером межвидовой конкуренции являются описанные российским учёным Георгием Гаузе опыты по содержанию популяций двух видов инфузорий на одном и том же ограниченном питании.
Принцип конкурентного исключения : если два вида с одинаковыми экологическими потребностями оказываются в одном сообществе, рано или поздно один конкурент вытесняет другого.
В 1937 г. немецкий ботаник Молиш ввёл термин «аллелопатия».
Аллелопатия (от греч. allelon - «взаимный», pathos - «страдание») - взаимодействие организмов посредством специфически действующих продуктов обмена.
Например, орех и дуб своими фитонцидами угнетают травянистую растительность под кроной.
Симбиоз (греч. symbiōsis - «совместная жизнь») - это различные формы совместного существования организмов разных видов.
Термин «симбиоз» предложил де Бари в 1879 г. Основой для возникновения симбиозов могут служить такие взаимоотношения, как питание одного из партнёров за счёт другого неиспользованными остатками пищи, поселение на поверхности или внутри тела другого и т.д.
Симбиоз бывает факультативным , т.е. необязательным, когда каждый из организмов при отсутствии партнёра может жить самостоятельно, и облигатным , т.е. обязательным, когда самостоятельное существование невозможно.
В 1906 г. Гертвиг сузил границы симбиоза до мутуализма. Именно в такой трактовке понятие симбиоза употребляется многими отечественными учёными.
Облигатный мутуализм (лат. obligatus - «обязательный» и mutuus - «взаимный») - форма обязательного взаимовыгодного сотрудничества.
Рис. 14. Симбиоз бобовых растений и клубеньковых бактерий
Классический пример симбиоза - лишайники (сожительство гриба и водоросли) - относится как раз к облигатному мутуализму. Гифы гриба (микроскопические нити, составляющие его тело) образуют всасывающие отростки, проникающие внутрь протопласта клеток водорослей. Через них гриб получает вещества, ассимилированные в результате фотосинтеза водорослями. Воду и минеральные вещества водоросли получают из гиф гриба. Но постепенно гриб убивает клетки водорослей и переходит к самостоятельному сапрофитному питанию. Стойкие симбиотические отношения формируются между шляпочными грибами и высшими растениями.
Рис. 15. Лишайники Рис.16.Шляпочныегрибы
Факультативный мутуализм (лат. facultatis - «возможный») - это сотрудничество, которое не является обязательным, так как каждый из рассматриваемых видов может существовать самостоятельно.
Рис. 17. Носорог и воловьи птицы Рис. 18. Кафрский буйвол и египетская цапля
Комменсализм (лат. com - «совместно» и mensa - «стол», «трапеза») - форма симбиоза, при которой один из членов системы (комменсал) питается остатками пищи или продуктами выделения другого (хозяина), не причиняя последнему вреда.
Рис. 19. Медведь и чайки
Формы комменсализма
Пищевые (нахлебничество , или сотрапезничество ), например, когда медведи вылавливают из рек рыбу, идущую на нерест, около них нередко держатся чайки и кормятся остатками рыбы, выроненными медведями. Подобные картины наблюдаются на реках Аляски, Камчатки во время хода лососёвых на нерест.
Жилищные (квартиранство ) и др. Например, в норах грызунов поселяются другие животные.
Существует также довольно много форм отношений, при которых один вид использует другой как средство передвижения. Рыба-прилипала присасывается к телу акулы и таким образом передвигается.
Рис. 20. Акулы и рыбы-прилипалы
На жуках-навозниках можно увидеть мельчайших клещиков (это подвижные личинки гамазовых клещей). Благодаря жукам они расселяются. Также поступают мучные клещи, прикрепляясь к телу подвижных насекомых и даже мышей. Это явление, когда один организм перемещает в пространстве другой, получило название форезии (греч. phoréo - «ношу»).
Аменсализм
Аменсализм (от греч. а - отрицательная частица и лат. mensa - «стол», «трапеза») - это взаимоотношения, при которых возникают отрицательные условия для одной из популяций: угнетение роста, размножения и др., в то время как вторая популяция негативным воздействиям не подвержена.
Рис. 21. Ель и светолюбивые травянистые растения
Аменсализм в основном встречается у растений. Например, светолюбивые травянистые растения, растущие под елью, испытывают угнетение в результате сильного затенения её кроной, тогда как для самого дерева их соседство может быть безразличным.
Хищничество
Хищничество - это способ добывания пищи и питания животных (реже растений), при котором они ловят, умерщвляют и поедают другие организмы.
В основе отношений «хищник - жертва» лежат пищевые связи. Обычно вид-хищник нападает на вид-жертву, которым он питается, например: щука - хищная рыба - питается другими мелкими рыбами; хищный жук жужелица нападает на гусениц.
Хищничество практически никогда не приводит к полному истреблению жертвы. Например, волки ежегодно убивают лишь 25% оленей, что приблизительно соответствует ежегодному приросту популяции оленей. Хищники, истребляя наиболее ослабленных особей, поддерживают состав и численность популяции на определённом уровне.
Рис. 22. Охота львов на антилопу
Рис. 23. Хищники и жертвы
Рис. 24. Волк на охоте
Рис. 25. Печёночный сосальщик
Рис. 26. Свиной цепень
Антибиоз – предполагает невозможность сосуществования, когда один вид вызывает гибель другого. Примером служат взаимоотношения бактерий и ряда плесневых грибов, способных выделять антибиотики против бактерий.
Симбиоз – напротив,предполагает возможность совместного существованияорганизмов разных видов.
Мутуализм (+,+). Оба взаимосвязанных вида, воздействуя друг на друга, получают от этого определенные преимущества, и эта связь взаимовыгодная и обязательная для их сосуществования. Примером служит сожительство бактерии - кишечной палочки в кишечнике человека, при котором нормальное пищеварение и всасывание ряда витаминов в кишечнике человека возможно только при участии этих бактерий, а кишечная палочка находит там среду обитания и источник питания.
Протокооперация (+,+). Взаимоотношения взаимовыгодные, но они не являются обязательными. Пример: пчелы и цветковые растения.
Нейтрализм (0,0) – Две популяции никак не влияют друг на друга. Однако между ними могут иметь место косвенные связи. Например, жители одного леса: грызуны, землеройки, белки, дятлы, не соприкасающиеся друг с другом, тем не менее, все зависят от запаса семян деревьев, т.е. от одного пищевого ресурса.
Комменсализм (+,0). Один из видов (комменсал) получает выгоду, тогда как другой (хозяин) от этого взаимодействия не получает никакого влияния. Примером являются кишечные амебы, питающиеся в кишечнике человека не причиняя ему видимого вреда.
Синойкия (+, 0) (от греч. syn – вместе, oikos – дом) или квартирантство – сожительство, при котором один партнер использует другого только как жилище. Например, пресноводная рыбка горчак откладывает икринки в мантийную полость двустворчатых моллюсков. Икринки, защищенные раковиной моллюска, развиваются, не нанося вреда хозяину.
Конкуренция (-,-). Конкуренция может быть внутривидовой (более жесткой) и межвидовой. Она возникает, когда двум популяциям требуется один и тот же ресурс, имеющийся в недостатке. Поэтому присутствие каждой популяции отрицательно сказывается на другой. Конкуренцией в широком смысле слова называется любое взаимно отрицательное отношение между видами. Оно возникает в борьбе за пространство, пищу, свет, убежище и т.д.
Хищничество (+,-). Возникает если между видами наблюдаются только пищевые взаимоотношения, а пространственные отсутствуют. Популяция хищников уничтожает и потребляет членов популяции жертвы, но эволюционно выигрывают оба участника системы: хищники имеют корм, а популяция жертвы оздоравливается хищниками. Пример: лиса – мышь.
1. В зависимости от локализации в организме хозяина :
2. По длительности связи с хозяином :
Постоянные
Временные
Личиночная (ларвальная)
Имагинальная
Дополнительный - второй промежуточный хозяин, в теле которого происходит развитие последующих личиночных стадий.
Симбиоз – сожительство- форма взаимоотношения, из которых оба партнера или хотя бы один извлекают пользу.
Симбиоз подразделяется на мутуализм, протокооперацию и комменсализм.
Мутуализм – форма симбиоза, при которой присутствие каждого из двух видов становится обязательным для обоих, каждый из сожителей получает относительно равную пользу, и партнеры (или один из них) не могут существовать друг без друга.
Типичный пример мутуализма – отношения термитов и жгутиковых простейших, обитающих в их кишечнике.
Протокооперация – форма симбиоза, при которой совместное существование выгодно для обоих видов, но не обязательно для них. В этих случаях отсутствует связь именно этой, конкретной пары партнеров.
Примером протокооперации являются взаимоотношения мелких рыбок семейства губановых и крупных хищных мурен.
Комменсализм – форма симбиоза, при которой один из сожительствующих видов получает какую-либо пользу, не принося другому виду ни вреда, ни пользы. Комменсализм, в свою очередь, подразделяется на квартиранство, сотрапезничество, нахлебничество.
"Квартиранство" – форма комменсализма, при которой один вид использует другой (его тело или его жилище) в качестве убежища или своего жилья.
"Сотрапезничество" – форма комменсализма, при которой несколько видов потребляют разные вещества или части одного и того же ресурса.
"Нахлебничество" – форма комменсализма, при которой один вид потребляет остатки пищи другого.
Нейтрализм – тип биотической связи, при которой совместно обитающие на одной территории организмы не влияют друг на друга. При нейтрализме особи разных видов не связаны друг с другом непосредственно. Например, белки и лось в одном лесу не контактируют друг с другом.
Аменсализм – форма антибиоза, при которой один из совместно обитающих видов угнетает другой, не получая от этого ни вреда, ни пользы. Пример: светолюбивые травы, растущие под елью, страдают от сильного затемнения, в то время как сами на дерево никак не влияют.
Хищничество - тип антибиоза, при котором представители одного вида питаются представителями другого вида. Хищничество широко распространено в природе как среди животных, так и среди растений. Примеры: насекомоядные растения; лев, поедающий антилопу и т.д.
Конкуренция - тип биотических взаимоотношений, при котором организмы или виды соперничают друг с другом в потреблении одних и тех же обычно ограниченных ресурсов. Конкуренцию подразделяют на внутривидовую и межвидовую.
Внутривидовая конкуренция – соперничество за одни и те же ресурсы, происходящее между особями одного и того же вида. Это важный фактор саморегулирования популяции. Примеры: птицы одного вида конкурируют из-за места гнездования. Самцы многих видов млекопитающих (например, оленей) в период размножения вступают друг с другом в борьбу за возможность обзавестись семьей.
Межвидовая конкуренция – соперничество за одни и те же ресурсы, происходящее между особями разных видов. Примеры межвидовой конкуренции многочисленны. И волки, и лисы охотятся на зайцев. Поэтому между этими хищниками возникает конкуренция за пищу. Это не значит, что они непосредственно вступают в борьбу друг с другом, но успех одного означает неуспех другого.
Трофическая структура. Виды, входящие в состав экосистемы, связаны между собой пищевыми связями, так как служат объектами питания друг для друга. Последовательность питающихся друг другом организмов называют пищевой , илитрофической, цепью . Отдельные звенья трофической цепи называют трофическими уровнями.
Пищевые цепи, которые начинаются с растений, идут через растительноядных животных к другим потребителям, называют пастбищными илицепями выедания .
Пищевые цепи другого типа начинаются с отмерших растений, трупов или помета животных и идут к мелким животным и микроорганизмам. Эти цепи называют детритными , илицепями разложения .
Например:
растения →овцы →человек; растения →кузнечики →ящерицы →орел; растения →насекомые →лягушки →змеи →орел.
мертвые ткани растений →грибы →многоножки кивсяки →грибы →ногохвостки коллемболы →хищные клещи →хищные многоножки →бактерии.
Совокупность пищевых связей в экосистеме образует пищевые сети , в которых многие консументы служат пищей нескольким членам экосистемы. В то же время некоторые животные могут принадлежать сразу к нескольким трофическим уровням, так как питаются и растительной, и животной пищей, то есть являются всеядными (например, медведь).
Продуктивность экологической системы – это скорость, с которой продуценты усваивают лучистую энергию солнца в процессе фотосинтеза, образуя органическое вещество.
Различают разные уровни продуцирования , на которых создается первичная и вторичная продукция. Органическая масса создаваемая продуцентами в единицу времени, называется первичной продукцией , а прирост за единицу времени массы консументов – вторичной продукцией .
Трофические структуры можно выразить графически в виде экологических пирамид . Пирамиду составляют прямоугольники, которые изображают разные звенья пищевой цепи. Основанием пирамиды служит уровень продуцентов, а последующие уровни питания образуют этажи и вершину пирамиды.
Известны три основных типа экологических пирамид:
1) пирамиды биомассы, характеризующие массу живого вещества на каждом уровне;
2) пирамиды энергии, показывающие, изменение энергии на последующих трофических уровнях;
3) пирамиды чисел, отражающие численность организмов на каждом уровне.
"Правило десяти процентов": С одного трофического уровня на другой передается лишь около 10% энергии; или с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по «лестнице» продуцент-консумент-редуцент), в среднем около 10 % энергии, поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды.
Гомеостаз – способность биологических систем – организма, популяции и экосистем противостоять изменениям и сохранять равновесие. Обычно выделяют два типа гомеостаза: резистентный – способность экосистем сохранять структуру и функции при негативном внешнем воздействии (локальная устойчивость) и упругий – способность экосистемы восстанавливать структуру и функции при утрате части компонентов экосистемы (общая устойчивость).
Сукцессия - последовательная необратимая смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории в результате влияния природных или антропогенных факторов. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном пространстве, называется стадиями развития. Различают множество форм сукцессии (фитогенная, зоогенная, ландшафтная, антропогенная, пирогенная, катастрофическая и др.). В оптимальных условиях любая сукцессия заканчивается возникновением медленно развивающегося климаксового сообщества. Различают первичные и вторичные сукцессии. Первичная сукцессия развивается на лишенных жизни территориях, вторичная - восстановление после природных катаклизмов.
Термин «сукцессия» предложен Г. Каулсоном (1898).
Существует множество классификаций сукцессий:
· по происхождению (первичные и вторичные),
· по масштабу времени (быстрые, средние, медленные, очень медленные),
· по обратимости (обратимые и необратимые),
· по степени постоянства процесса (постоянные и непостоянные),
· по тенденциям изменения продуктивности и видового богатства (прогрессивные и регрессивные),
· по антропогенности (антропогенные и природные),
· по характеру происходящих во время сукцессии изменений (автотрофные и гетеротрофные).
Климакс – высшая ступень развития экосистем; финальная установившаяся стадия их развития, находящаяся в наиболее полном единстве с климатом данной, местности.
Устойчивость экосистем – это способность экосистем сохранять структуру и нормальное функционирование при изменениях экологических факторов.
Организм и среда
Одним из важнейших понятий экологии является среда обитания.
Среда – это совокупность факторов и элементов, воздействующих на организм в месте его обитания.
Для обозначения совокупности условий жизни широко используются понятия «окружающая среда» и «среда обитания». При этом, прежде всего подразумевается среда жизни человека. Окружающая среда, среда обитания и деятельности человечества, окружающий человека природный и созданный им материальный мир. Окружающая среда включает природную среду и искусственную (техногенную) среду, т. е. совокупность элементов среды, созданных из природных веществ трудом и сознательной волей человека и не имеющих аналогов в девственной природе (здания, сооружения и т. п.).
Основные среды жизни:
водная среда жизни (обитатели – гидробионты). Характерной чертой ее является подвижность – она ясно выражена в проточных, быстро текущих реках, ручьях и даже в стоячих водоемах это имеет место. В морях и океанах наблюдаются приливы и отливы, мощные течения, штормы; в озерах вода перемещается под действием ветра и температуры. Движение воды обеспечивает снабжение водных организмов кислородом и питательными веществами, приводит к выравниванию температуры во всем водоеме;
наземно-воздушная среда особенностью является то, что организмы, обитающие здесь, окружены воздухом, который представляет собой смесь газов, а не их соединения. Воздух как экологический фактор характеризуется постоянством состава – азота в нем содержится 78,08%, кислорода – около 20,9%, аргона – около 1%, углекислого газа – 0,03%. За счет диоксида углерода и воды синтезируется органическое вещество и выделяется кислород. При дыхании происходит реакция, обратная фотосинтезу – потребление кислорода;
почвенная среда представляет собой совокупность выветренной материнской породы, живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Почва обладает специфическими физическими свойствами. Для нее характерна более или менее рыхлая структура, определенная водопроницаемость и аэрируемость. Она обладает также своеобразными биологическими особенностями, поскольку тесно связана с жизнедеятельностью организмов;
Экологический фактор – это элемент среды, оказывающий прямое влияние на живой организм, хотя бы на одной из стадий индивидуального развития. Все экологические факторы условно делятся на биотические, абиотические и антропогенные.
Биотические факторы – это все возможные влияния, которые испытывает живой организм со стороны окружающих его живых существ.
Абиотические факторы – это все влияющие на организм элементы неживой природы (температура, свет, влажность, состав воздуха, воды, почвы и т. д.). Выделяют:
По отношению к температуре: пойкилотермные – холоднокровные животные с непостоянной внутренней температурой тела, меняющейся в зависимости от температуры окружающей среды и гомойотермные – теплокровные животные, температура которых более или менее постоянна и не зависит от температуры окружающей среды.
Правило Бергмана: По мере удаления от полюсов к экватору размеры близких в систематическом отношении животных с непостоянной температурой тела увеличиваются, а с постоянной – уменьшаются.
У животных с постоянной температурой тела в холодных климатических зонах наблюдается тенденция к уменьшению площади выступающих частей тела – правило Аллена , поскольку они отдают в окружающую среду наибольшее количество тепла
Биоклиматический закон А. Хопкинса: Существует закономерная, довольно тесная связь развития фенологических явлений с широтой, долготой и высотой над уровнем моря. По мере продвижения на север, восток и в горы время наступления периодических явлений (как цветения, плодоношения, сбрасывания листвы) в жизнедеятельности организмов запаздывает на 4 дня на каждый градус широты, 5 градусов долготы и примерно на 100 м высоты.
По отношению к свету: светолюбивые (световые), тенелюбивые (теневые), теневыносливые
По отношению к влаге: гигрофиты – растения, обитающие в местах с высокой влажностью воздуха и (или) почвы; мезофиты – наземные растения, которые приспособлены к обитанию в среде с более или менее достаточным, но не избыточным увлажнением почвы; ксерофиты – растения сухих местообитаний, способные переносить продолжительную засуху («засухоустойчивые»);
Антропогенные - это факторы, связанные с воздействием человека на природную среду.
Согласно другой классификации различают первичные и вторичные периодические и непериодические факторы.
К первичным относят температуру, изменения положения Земли по отношению к Солнцу, благодаря которым в эволюции возникла суточная, сезонная, годичная периодичность многих биологических процессов. Вторичные периодические факторы являются производными первичных, например, уровень влажности зависит от температуры, поэтому в холодных областях планеты воздух содержит меньше водяных паров, непериодические факторы действуют на организм или популяцию внезапно, эпизодически. К ним относят стихийные силы природы - извержение вулканов, ураган, удар молнии, наводнение и др.
По степени направленности действия факторы среды обитания можно классифицировать следующим образом:
1) периодические факторы (суточные, годовые и т.п.);
2) повторяющиеся без строгой периодичности (наводнения, ураганы, землетрясения и т.п.);
3) факторы однонаправленного действия (изменение климата, заболачивание и т.п.);
4) случайные и неопределенные факторы, наиболее опасные для организма, так как зачастую встречаются впервые.
Общие законы действия факторов среды на организмы
Закон оптимума. Благоприятная сила воздействия называется зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для организмов данного вида. 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.
Широкую экологическую валентность вида по отношению к абиотическим факторам среды обозначают добавлением к названию фактора приставки «эври». Неспособность переносить значительные колебания фактора, или узкая экологическая валентность, характеризуется приставкой «стено». В более широком смысле слова виды, для существования которых необходимы строго определенные экологические условия, называют стенобионтными, а те, которые способны приспосабливаться к разной экологической обстановке, – эврибионтными
Лимитирующие факторы – факторы, находящиеся в таком недостатке или, наоборот, избытке, который ограничивает возможность нормального существования популяции или вида. Лимитирующими факторами могут являться свет, тепло, вода, химические вещества, в том числе вещества загрязнения среды .
Способность видов осваивать разные среды обитания характеризуется величиной экологической валентности . Для большинства видов экологический оптимум ограничен. Сохранение должного уровня биологической активности, несмотря на колебания интенсивности экологических факторов, обеспечивается гомеостатическими механизмами на уровне особи или популяции.
К этим факторам относят:
· энергетическое состояние среды (тепловое и волновое, включая магнитное и гравитационное поля);
· химический и динамический характер атмосферы;
· водный компонент (влажность воздуха, зеленой поверхности, химический состав вод, их физика, само их наличие и соотношение с населенной сушей);
· физический, химический и механический характер поверхности земли (включая геоморфологические структуры – равнинность, холмистость, гористость и т. д.);
· облик и состав биологической части экологических систем (растительности, животного и микробного населения) и их ландшафтных сочетаний, в том числе сочетаний непахотных сельскохозяйственных и лесохозяйственных земель с естественными экосистемами;
· степень сбалансированности и стационарности компонентов, создающих климатические и пейзажные условия и обеспечивающих определенный ритм природных явлений, в том числе стихийно–разрушительного и иного характера, рассматриваемого как бедствие (землетрясения, наводнения, ураганы, природно–очаговые заболевания и т. д.);
· плотность населения и взаимовлияние самих людей как биологический фактор;
· информационная составляющая всех перечисленных явлений.
Закон минимума Ю.ЛИБИХА (1840 г) – концепция, согласно которой существование и выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Согласно закону минимума жизненные возможности организмов лимитируют те экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму . «Веществом, находящимся в минимуме, управляется урожай».
Лимитирующим фактором может быть не только недостаток, но и избыток факторов. В экологию такое положение вошло как закон толерантности В. Шелфорда (1913 г.): «Лимитирующим фактором, ограничивающим развитие организма, может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия». Под ограничивающим фактором понимают фактор, уровень которого в качественном и количественном отношении (недостаток или избыток) оказывается близким к пределам выносливости данного организма
Экологическая ниша – совокупность всех факторов среды в ареале, при которых возможно существование определенного вида, т.е. некий образ его жизни.
Приспособления организмов к среде носят название адаптации. Под адаптациями понимаются любые изменения в структуре и функциях организмов, повышающие их шансы на выживание.
Основные механизмы адаптации:
1) биохимические – проявляются во внутриклеточных процессах, как, например, смена работы ферментов или изменение их количества;
2) физиологические – например, усиление потоотделения при повышении температуры у ряда видов;
3) морфо‑анатомические – особенности строения и формы тела, связанные с образом жизни;
4) поведенческие – например, поиск животными благоприятных мест обитания, создание нор, гнезд и т. п.;
5) онтогенетические – ускорение или замедление индивидуального развития, способствующие выживанию при изменении условий.
Экологические факторы среды оказывают на живые организмы различные воздействия, т.е. могут влиять как раздражители, вызывающие приспособительные изменения физиологических и биохимических функций; как ограничители, обусловливающие невозможность существования в данных условиях; как модификаторы, вызывающие морфологические и анатомические изменения организмов; как сигналы, свидетельствующие об изменениях других факторов среды.
Экология и человек
Ноосфера (Эдуард Леруа совместно с Пьером Тейяром де Шарденом в 1927) – сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития (эта сфера обозначается также терминами «антропосфера», «биотехносфера»).
Техносфера - область действительности, для которой характерно применение техники.
Основные предпосылки создания ноосферы:
· расселение человечества по всей поверхности Земли и физическое уничтожение видов, «конкурирующих с человеком»,
· радикальное усовершенствование средств связи и создания единой информационной системы и единой системы контроля над людьми,
· создание и разработка новых источников энергии (атомной, геотермической, «лунной», «ганглиевой»),
· «подъём благосостояния трудящихся» и «победа демократии»,
· установление «равенства всех людей», причём не только равенства перед законом, но и других его форм,
· учреждение единого планетарного марксистско-ленинского государства,
· вовлечение «широких народных масс» в занятие наукой,
· превращение человечества в «геологическую силу».
Окружающая человека среда состоит из четырех взаимосвязанных компонентов – подсистем:
а) собственно природной среды,
б) порожденной агротехнической среды – «второй природы»,
в) искусственной среды – «третьей природы»
г) социальной среды.
Природная среда, окружающая человека – факторы чисто естественного или природно-антропогенного системного происхождения, прямо или косвенно, осознанно или неосознанно воздействующие на отдельного человека или человеческие коллективы, включая и все человечество.
Среда «второй природы», или квазиприродная среда – все модификации природной среды, искусственно преобразованные людьми и характеризующиеся свойством отсутствия системного самоподдержания, т.е. постепенно разрушающиеся без постоянного регулирующего воздействия со стороны человека:
· пахотные земли, культурные ландшафты и т.д.;
· грунтовые дороги;
· внешнее пространство населенных мест с его природными физико–химическими характеристиками и внутренней структурой (разграничением заборами, различными постройками, изменяющими тепловой и ветровой режимы, зелеными полосами, прудами и т.п.);
· зеленые насаждения (бульвары, газоны, ландшафтные парки, лесопарки, сады, дающие имитацию природной среды).
Все эти образования имеют природное происхождение, представляют собой видоизмененную природную среду и не являются чисто искусственными, не существующими в природе.
«Третья природа», или артеприродная среда – весь искусственный мир, созданный человеком, вещественно – энергетически не имеющий аналогов в естественной природе, системно чуждый ей и без непрерывного обновления немедленно начинающий разрушаться. Сюда можно отнести асфальт и бетон современных городов, внутреннее пространство мест жизни и работы, транспорта и предприятий сферы обслуживания, технологическое оборудование, транспортные объекты, мебель и другие вещи, всю синтетику и т. д.
Биосфера все более насыщается вредными для живых организмов веществами антропогенного происхождения. Миллиарды тонн в год этих веществ выбрасываются в атмосферу, сбрасываются в водоемы, накапливаются в отходах. С воздушными потоками, речными и морскими течениями вредные вещества переносятся на большие расстояния через границы государств, создавая глобальную проблему загрязнения, наносят ущерб здоровью людей, природе, материальным ценностям.
Природы - это взаимоотношения всех живых организмов друг с другом и с окружающей средой. Биотические связи возникают в биогеоценозе между различными видами. Самой основной и важной формой таких связей являются пищевые взаимоотношения, которые формируют циклы питания и сложные цепи.
Нейтрализм
Биотические связи, при которых жизнедеятельность одного организма не оказывает никакого влияния на жизнь другого, называется нейтрализмом. Примерами данного взаимоотношения являются заяц-беляк и ленточный червь, бабочка-крапивница и блоха, а также бесконечное множество других.
Ученые заметили, что во время своей жизнедеятельности все живые организмы выделяют в окружающую среду твердые, жидкие и газообразные вещества, которые способны влиять на другие растения, животных и микроорганизмы.
Аллелопатия
Биотические связи, осуществляющиеся благодаря специфическим действующим продуктам обмена веществ, выделяющимся во внешнюю среду, называются аллелопатией.
Такое явление известно уже давно, но лишь в 1937 году немецкий ученый Молиш дал ему определенное название.
Более детально данное явление изучено на растительных организмах. Выделения многих растений могут оказывать на близрастущих соседей как токсичное, так и стимулирующее действие. Примеры биотических связей у растений могут быть такими:
- абсинтин листьев горькой полыни способен угнетать рост и развитие многих других растений;
- фасоль замедляет рост яровой пшеницы;
- выделения корней пырея плохо влияют не только на другие травы и кустарники, но и на деревья.
Животные также выделяют вещества - феромоны, способные влиять на поведение и развитие особей определенного вида. С их помощью также передается информация другим видам.
Выделение биологически активных веществ свойственно и микроорганизмам. Например, широко известны такие антибиотики, как пенициллин и стрептомицин.
Эффект группы
Групповой эффект - это оптимизация всех процессов, которая ведет к максимальному повышению жизнеспособности особей при их совместном обитании. Такая особенность проявляется у большого количества видов, которые могут нормально размножаться и развиваться только в том случае, если они объединились в небольшие или огромные группы.
Типы биотических связей зависят от ареала обитания особей и способов их существования. Например, для того чтобы выжило стадо африканских слонов, в нем должно находиться не менее тридцати особей.
Конкуренция
Биотические связи, во время которых происходят взаимоотношения между особями одного или разных видов, при которых используются одни и те же ресурсы при их значительном недостатке, называются конкуренцией. способна значительно повысить интенсивность естественного отбора. Самым популярным примером такого процесса является самоизреживание елей.
А вот межвидовой тип конкуренции чаще всего характерен для экологически близких особей или популяций разных видов. Может быть как пассивной, так и активной. Первая подразумевает использование природных богатств, необходимых обоим видам. А во время второй происходит подавление одного вида другим.
Конкуренция является одной из основных причин того, что несколько видов, характеризующихся похожими образом жизни, поведением и спецификой питания, не могут сожительствовать в одном сообществе. Такая конкуренция может превратиться во вражду.
Хищничество
Биотические связи в природе, которые характеризуются таким способом добычи пищи, как ловля, убийство и съедение пойманных особей, называются хищничеством. Основой таких взаимоотношений являются пищевые связи и цепочки питания. Хищник сначала убивает добычу, а только потом ее съедает. Но перед этим ее нужно поймать. Для этих целей у каждого хищника есть специальные приспособления. Исторически сложилось так, что и у жертв есть защитные элементы. Например, панцирь, колючки, шипы, ядовитые железы и защитная окраска.
Благодаря таким обоюдным приспособлениям и сформировались группировки организмов - хищники и жертвы. В таких взаимоотношениях сформированы принципы регуляции численности обоих компонентов.
Еще недавно ученые думали, что все хищники - вредные жители планеты, поэтому их нужно истреблять. Однако это мнение оказалось ошибочным. Такие действия будут иметь негативные глобальные последствия. Существует риск нанести ущерб не только дикой природе, но и всему хозяйству.
Симбиоз
Биотические связи в природе, во время которых один из партнеров (или сразу оба) извлекает пользу от взаимоотношений друг с другом, называются симбиозом.
В мире существует большое количество примеров взаимовыгодного симбиоза. Например, желудочные и кишечные бактерии, без которых невозможен процесс пищеварения. Или опыление некоторых орхидей, чью пыльцу может переносить только определенный тип насекомых. Такие отношения проходят успешно тогда, когда они увеличивают вероятность обоих партнеров выжить.
Симбиоз, который будет выгодным для обоих представителей, называется мутуализмом. А вот комменсализм - это взаимоотношения, полезные для одного, но безразличные для другого. Эндосимбиоз - способность одного партнера жить внутри клетки другого.
Мутуализм
Самой распространенной формой совместного сожительства считается мутуализм. Биотические связи в природе (9 класс школьной программы подробно описывает данную тему) в виде мутуализма ставят обязательное условие - существование обоих партнеров. Во время такой связи каждый из партнеров получает свою выгоду. Например, один партнер использует другого в качестве источника питания, а второй оказывается под защитой от врагов или в благоприятных условиях для развития и размножения.
Каждый участник мутуалистической пары является эгоистом, и взаимная выгода возникает лишь от того, что полученная польза перевесит все затраты, которые требуются на поддержание взаимоотношений.
Взаимовыгодные связи формируются также благодаря поведенческим реакциям. Примеры биотических связей мутуализма - птицы совмещают собственное питание, и в это же время являются распространителями семян. Иногда возникают физические взаимоотношения.
Тесный контакт видов при мутуализме способствует их совместной эволюции. Таким примером являются приспособления, которые сформировались у цветков и их опылителей.
Комменсализм
Биотические связи (9 класс) выделяют три вида комменсализма:
- Используют пищу других видов.
- Прикрепляются к другому организму, который становится «хозяином».
- Поселяются во внутренних органах хозяина.
Отношения такого типа очень важны для природы, так как дают возможность на каждом кусочке Земли сожительствовать большому количеству видов, а также максимально освоить окружающую среду и использовать пищевые ресурсы.
Биотические связи в природе
В биогеоценозах определяют и направления эволюции взаимодействующих видов. Если хищник питается крупными, активными жертвами, которые могут убегать, сопротивляться, прятаться, то кто из жертв остаются в живых? (Остаются в живых те из жертв, кто убегает, сопротивляется и прячется лучше других, т.е. имеет более зоркие глаза, чуткие уши, лучшее обоняние, развитую нервную систему, мускульную силу)
Таким образом, хищник ведет отбор на совершенствование жертв, уничтожение больных и слабых. Куда направлен отбор среди хищников? (Среди хищников отбор идет на силу, ловкость и выносливость). Если же хищники питаются малоактивными либо мелкими, не способными сопротивляться им видами (собирательство), это приводит к другому результату. Какому? Погибают те особи, которых хищник успевает заметить. Выигрывают те, которые менее заметны (имеют покровительственную окраску и форму)или неудобны для захвата (защищены раковинами, иглами и др.)
Собиратели питаются мелкой многочисленной добычей, не способной убегать или оказывать сопротивление, и основную часть энергии тратят на поиск корма
Это связи, сложившиеся в процессе совместного эволюционного становления видов, в условиях совместного существования в сообществе (лишайник, микориза, бактерии кишечного тракта)
Комменсализм - отношения, полезные одному из партнеров и безразличные для другого. Комменсализм как тип биотических отношений поддерживает жизнь многих видов в природе. Некоторые виды животных либо питаются остатками пищи представителей другого вида (рыбы-лоцманы, гиены), либо используют их убежища, норы, гнезда, не принося хозяину ни вреда, ни пользы. Так, в норах степных и пустынных грызунов спасаются от жары сотни видов насекомых, пауков и других мелких животных
Конкуренция, таким образом, является одним из главных механизмов подбора видов в биоценозах. Вместе уживаются только те виды, которые какими-либо путями хотя бы частично избегают конкуренции с соседями или смягчают её. При конструировании искусственных сообществ, например, создании лесопарков или искусственных пастбищ в пустынных районах, а первую очередь подбираются такие виды растений и животных, которые были бы способны ужиться и дополняли друг друга, не вступая в жесткую конкуренцию и полностью используя имеющиеся ресурсы. С конкурентными отношениями человеку часто приходится сталкиваться в практике акклиматизации животных и растений. Завезенные виды приживаются только в том случае, если не встречают сильной конкуренции со стороны местных