Основы экологии: взаимодействие факторов и организмов, экологические системы и популяции

Экология — область биологии, изучающая взаимодействие организмов между собой и с окружающей средой. В процессе эволюции живые организмы расселились по всему земному шару и приспособились к различным условиям обитания. В результате взаимодействия живых организмов и среды обитания сформировался разнообразный органический мир Земли. Жизнедеятельность организмов, в свою очередь, оказала влияние на неживую природу, которая развивалась и изменялась вместе с живой. В результате сложных взаимоотношений живой и неживой природы сформировались различные сообщества, экосистемы, которые составляют современную биосферу.

Экология как наука изучает закономерности развития экосистем, взаимоотношения организмов в них, эволюцию сообществ и биосферы. Она является основой охраны природы, прогнозирования и управления экосистемами в условиях научно-технического прогресса.

На живые организмы прямо или косвенно влияют различные компоненты окружающей среды, называемые экологическими факторами. Условно их можно разделить на две группы: абиотические и биотические факторы.

Абиотические факторы — это все влияющие на организм элементы неживой природы: климатические (свет, влажность, температура), почвенные, рельеф, атмосферные газы.

Биотические факторы — совокупность взаимодействия и влияние живых организмов друг на друга. Отдельно из биотических факторов выделяют антропогенный1 фактор как совокупность различных воздействий человека и его хозяйственной деятельности на живые организмы и природу в целом.

Абиотические факторы. Наиболее важным из абиотических факторов является климат. От него зависит тип растительности в данной местности, которая, в свою очередь, определяет животный мир и облик сообщества. Климат слагается из ряда факторов.

Свет. Климат связан в первую очередь с поступлением солнечной энергии. Биологическое действие солнечного света обусловлено интенсивностью, спектральным составом, сезонной и суточной периодичностью. В связи с этим у живых организмов приспособления также носят сезонный и зональный характер.

Ультрафиолетовые лучи губительны для всего живого. Основная часть этого излучения задерживается озоновым экраном атмосферы, поэтому живые организмы распространены до озонового слоя. Видимый спектр необходим растениям и животным. У зеленых растений в красном спектре идет фотосинтез. Для животных и человека видимый свет — важный фактор, определяющий степень активности.

 В некоторых научных изданиях встречается термин «антропический», так как ряд авторов считают его более точным.

Инфракрасные лучи являются источником тепловой энергии, но не воспринимаются глазом человека и большинства животных. Они хорошо поглощаются тканями организма и вызывают их нагревание. Особенно важны эти лучи для хладнокровных животных (насекомых, пресмыкающихся), которые используют их для повышения температуры тела.

Солнечная энергия создает световой режим, который меняется в зависимости от географической широты и рельефа. В связи с вращением Земли световой режим имеет отчетливую суточную и сезонную периодичность. Реакция организма на суточный режим освещения в результате периодической смены определенной продолжительности дня и ночи называется фотопериодизмом. Фотопериодичность связана с механизмом биологических часов, основное проявление которого заключается в способности организма к циклическим изменениям функций. Биологические часы определяют физиологические ритмы в соответствии с изменениями в окружающей среде. У растений суточный фотопериодизм контролирует процессы фотосинтеза. У животных возникли приспособления к дневному и ночному образу жизни.

Большое значение имеет и степень освещенности. В зависимости от способности расти в условиях затенения или освещения различают теневыносливые и светолюбивые растения. Теневыносливые обитают в нижнем ярусе леса, светолюбивые — в верхнем ярусе и на открытых пространствах (лугах, степях).

Сезонный ритм — регулируемая фотопериодизмом реакция организма на изменение времени года. Так, при наступлении осеннего короткого дня растения сбрасывают листву и готовятся к зимнему покою. Зимний покой — приспособительное свойство многолетних растений, для которых характерны прекращение роста, отмирание надземных побегов (у трав) или листопад (у деревьев и кустарников), замедление или остановка многих процессов жизнедеятельности. У животных зимой наблюдается существенное снижение активности. Сигналом к массовому отлету птиц служит изменение длины светового дня. Многие животные впадают в зимнюю спячку — приспособление для перенесения неблагоприятного зимнего времени года.

Температура — не менее важный фактор, лимитирующий жизненные процессы. Все процессы жизнедеятельности в организме протекают при определенной температуре тела, в основном в пределах +10...+40 °С. Лишь немногие организмы приспособлены к жизни при очень высоких температурах. В зависимости от механизмов поддержания постоянной температуры тела животные делятся на пойкилотермных и гомойотермных.

Пойкилотермные — хладнокровные животные с непостоянной температурой тела. У них повышение температуры окружающей среды вызывает сильное ускорение всех физиологических процессов, изменяет активность поведения. Так, ящерицы предпочитают температурную зону +37 °С. С повышением температуры ускоряются и стадии развития некоторых животных. Для многих хладнокровных животных характерен анабиоз — временное состояние организма, при котором жизненные процессы существенно замедляются и отсутствуют видимые признаки жизни.

Гомойотермные — теплокровные животные с постоянной температурой тела. Они обладают наиболее совершенной терморегуляцией и в меньшей степени зависят от температуры среды. Способность поддерживать постоянную температуру тела является важной экологической приспособленностью животных, таких как птицы и млекопитающие.

Влажность. Необходимым условием существования всех организмов на земле является наличие воды. Она играет исключительно важную роль во всех процессах жизнедеятельности клетки. Поддержание водного баланса является основной физиологической функцией организма. С экологической точки зрения вода чаще других является лимитирующим фактором как для наземных, так и для водных организмов, где высокая соленость способствует ее потере. Влажность на земной поверхности распределяется неодинаково. Так как большинство наземных растений и животных влаголюбивы, то недостаток воды часто оказывается причиной, ограничивающей распространение организмов.

Для растений наличие воды является одним из основных экологических факторов, лимитирующих рост и развитие. Приспособления к недостатку влаги у них особенно ярко выражены (колючки, длинные корни, мясистые стебли).

Фактор влажности является значимым и для животных. Большинство обитателей пустынь способны обходиться без воды достаточно долго. Это верблюды, антилопы, куланы, сайгаки. Обитатели засушливых мест ведут ночной образ жизни, тем самым избегая перегрева и испарения воды в дневное время.

Для растений и животных, обитающих в условиях периодической сухости, характерно снижение жизненной активности, состояние физиологического покоя в период отсутствия влаги. Растения могут сбрасывать листву в жаркое сухое лето, иногда у них полностью отмирают надземные побеги.

Животные с наступлением жаркого и сухого периода могут впадать в летнюю спячку (сурки), а некоторые виды — в состояние анабиоза.

Почва — среда обитания для многих микроорганизмов и животных, в ней закрепляются корни растений и гифы грибов. Первостепенными факторами для почвенных обитателей являются ее структура, химический состав, влажность, наличие питательных веществ.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ. ОГРАНИЧИВАЮЩИЙ ФАКТОР

На организмы действует всегда комплекс факторов окружающей среды. Наиболее благоприятная для организма интенсивность экологического фактора называется оптимальной, или оптимумом. Отклонение от оптимального действия фактора приводит к угнетению жизнедеятельности организма. Граница, за пределами которой невозможно существование организма, называется пределом выносливости. Для любого организма и в целом вида существует своя граница по каждому экологическому фактору. Фактор среды, выходящий за пределы выносливости организма, называется ограничивающим. Он имеет верхний и нижний пределы.

Оптимум отражает особенности условий обитания различных видов. Чем шире предел выносливости, тем пластичнее организм. Причем предел выносливости по отношению к различным экологическим факторам у организмов неодинаков. Узкоприспособленные виды менее пластичны и имеют небольшой предел выносливости, широко приспособленные виды более пластичны, и у них отмечается большой диапазон устойчивости к колебаниям факторов среды.

Взаимодействие различных экологических факторов заключается в том, что изменения интенсивности одного могут снизить предел выносливости к другому фактору или, наоборот, увеличить его.

Например, оптимальная температура повышает выносливость к недостатку влаги и пищи.

Совокупность факторов среды (абиотических и биотических), необходимых для существования вида, называется экологической нишей, которая характеризует образ жизни организма, условия его обитания и питания.

ВЗАИМООТНОШЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ

Биотические факторы проявляются во взаимоотношениях организмов при совместном обитании и имеют разнообразный характер.

Нейтрализм — независимые отношения между совместно обитающими на одной территории разными видами (например, белка и лось).

Конкуренция — тип взаимоотношений, возникающий у двух видов со сходными потребностями, обитающими на одной территории.

Присутствие одного вида или организма уменьшает пищевые ресурсы, сокращает территорию расселения другого.

Например, угнетение растений нижнего яруса в лесу, конкуренция различных видов грызунов, обитающих на одном поле, луге, хищников одного леса и т. д. В результате более слабый конкурент погибает или вытесняется более сильным.

Хищничество — взаимодействие особей, при котором одна из них испытывает отрицательное воздействие со стороны другой. Хищники, питаясь, уничтожают свою жертву.

Отношение хищника и жертвы складывалось в процессе эволюции. Хищники выступают как естественные регуляторы численности популяции жертвы. Увеличение численности хищника приводит к уменьшению популяции жертвы. В свою очередь, падение численности жертвы приводит к уменьшению хищников, которым не хватает пищи. Пример — взаимоотношения зайца и волка.

Симбиоз — совместное существование видов, извлекающих взаимную выгоду от такого сожительства. Примером симбиоза является микориза — соединение корней растений и гифов гриба, сожительство азотфиксирующих бактерий и бобовых растений, взаимосвязь актинии и рака-отшельника.

Нахлебничество — взаимоотношения организмов, когда один вид извлекает пользу от присутствия другого, хотя последнему такое присутствие безразлично.

Например, гиены подбирают остатки добычи, не доеденной крупными хищниками, рыбы-лоцманы следуют за акулами, дельфинами, питаясь остатками пищи.

В некоторых случаях тело или постройки одного вида могут служить местом обитания или средством защиты другого. Такое сожительство называется квартирантетвом.

Например, в коралловых рифах обитает большое количество морских организмов. В полости тела иглокожего голотурии поселяются мелкие виды морских обитателей. Растения-эпифиты поселяются на деревьях, которые служат им местом прикрепления, а питаются они путем фотосинтеза. Это мхи, лишайники, некоторые цветковые растения.

Таким образом, в биоценозе между организмами наблюдаются разнообразные формы взаимоотношений, которые построены на пищевых, пространственных и других типах взаимодействия, регулируют численность популяций и определяют устойчивость сообщества.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

В природе все живые организмы образуют комплексы, более или менее постоянные сообщества. Состав сообществ обусловлен сочетанием определенных абиотических факторов, а также взаимозависимостью различных организмов, входящих в него, сходством их потребностей. Связь между ними обеспечивает питание, защиту, размножение всех обитателей сообщества. В результате взаимодействия живых организмов образуется экологическая система. Она представляет собой единый природный комплекс, образованные живыми организмами и средой их обитания. Все компоненты экосистемы взаимодействуют между собой и влияют друг на друга.

Биогеоценоз — однородный участок земной поверхности с исторически сложившимся определенным составом живых организмов и компонентами неживой природы (почвой, атмосферой, климатом, солнечной энергией), характеризующийся относительной устойчивостью и саморегуляцией. Почва и климат образуют экотоп, который определяет характер сообщества. Целостная, саморегулирующаяся биологическая система, образованная живыми организмами, обитающими на данной территории, называется биоценозом. Основу взаимодействия живых организмов в биоценозе составляют пищевые цепи. Биогеоценоз включает экотоп и биоценоз.

Все биоценозы имеют сходную структуру. Основу их образуют растительные сообщества — фитоценозы, которые в процессе фотосинтеза производят живое вещество и определяют характер биоценоза. Другую часть биоценоза составляют животные (травоядные и плотоядные) — зооценоз. Наконец, в биоценоз входят организмы, минерализующие органические остатки, — бактерии и грибы.

В экологической системе все разнообразие живых организмов по типу питания можно разделить на три функциональные группы: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты — зеленые растения автотрофы, производящие органические вещества из неорганических и способные аккумулировать солнечную энергию.

Консументы — животные-гетеротрофы, потребляющие готовые органические вещества. Консументы I порядка могут использовать органические вещества растений (травоядные животные). Гетеротрофы, использующие животную пищу, подразделяются на консументов II, III и т. д. порядков (плотоядные животные). Все консументы используют энергию химических связей, запасенную в органических веществах продуцентами.

Редуценты — гетеротрофные микроорганизмы, грибы, разрушающие и минерализующие органические остатки. Редуценты как бы заканчивают круговорот веществ, образуя неорганические вещества для вступления в новый цикл.

Таким образом, в процессе жизнедеятельности организмов происходит постоянный круговорот энергии и веществ в природе, причем каждый вид использует лишь часть содержащейся в органических веществах энергии. В результате возникают определенные цепи питания, представляющие собой взаимосвязь видов, последовательно извлекающих органические вещества и энергию из исходного вещества. Причем каждое предыдущее звено является пищей для следующего.

В каждом звене большая часть энергии расходуется в виде тепла, теряется, что ограничивает число звеньев в цепи. Но любая цепь начинается растением, а заканчивается хищником, причем наиболее крупным. Редуценты разрушают органические вещества на каждом уровне и являются конечным звеном в трофической (пищевой) цепи.

Правило экологической пирамиды отражает закономерность, согласно которой в любой экосистеме биомасса каждого следующего звена в 10 раз меньше предыдущего. Различают три типа экологических пирамид:

1) пирамида чисел, отражающая число особей на каждом уровне пищевой цепи;

2) пирамида биомассы органического вещества, синтезированного на каждом уровне;

3) пирамида энергии, показывающая величину потока энергии.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОПУЛЯЦИИ

В природе вид, как правило, состоит из множества популяций, определенным образом изолированных друг от друга. С точки зрения экологии популяция рассматривается как основной элемент любого сообщества живых организмов. Она характеризуется рядом признаков.

Пространственная структура популяции определяется особенностями расселения ее на территории. Часто отдельные особи образуют скопления, группы, стаи, «семьи».

Численность популяции — число особей, обитающих на данной территории и в сообществе.

Показателем численности является плотность популяции — число особей, приходящихся на единицу площади. Рождаемость характеризует способность популяции к воспроизведению, частоту появления новых особей. Показателем ее служит число особей, появляющихся на свет за единицу времени. Смертность определяется числом особей, погибших за известный период, т. е. скоростью уменьшения численности популяции.

Возрастная структура популяции характеризуется соотношением особей разного возраста, которое меняется во времени. В стабильной популяции рождаемость примерно равна смертности, численность популяции находится на одном уровне, соотношение разновозрастных групп примерно одинаковое. В растущих популяциях рождаемость превышает смертность и численность увеличивается.

Половая структура определяется количеством самцов и самок.

Динамика популяции — изменение численности организмов во времени. Она зависит от многих факторов. Благоприятные климатические условия, достаточное количество пищи, ослабление хищничества приводят к росту плодовитости и рождаемости, увеличению численности. И наоборот, снижение кормовой базы, усиление конкуренции, неблагоприятные условия уменьшают численность особей. Способность популяции к саморегулированию для поддержания численности на определенном уровне называется гомеостазом популяции.

Одним из самых мощных факторов, регулирующих численность организмов, является антропогенный. Человек может искусственно уменьшать или увеличивать численность популяций.