Экология или взаимодействие организмов со средой #60

Э Экология представляет собой науку, которая изучает взаимодействие организмов со средой. Термин экология с латинского состоит из двух слов, которые дословно переводятся как наука и дом.

Экология как наука

Все живые организмы являются открытыми системами: через них постоянно идет поток вещества, энергии и информации. Обмен с окружающей средой является непременным условием существования живого. Влияние окружиющей среды прямо или косвенно отражается на развитии, размножении и выживании организмов. Внешняя среда не только влияет на живое, но и сама изменяется в результате жизнедеятельности организмов. Следовательно, отношения между средой и живыми организмами носят взаимный характер.

Общебиологическая наука, изучающая закономерности ‚взаимоотношений организмов друг с другом и с окружающей средой, называется экологией (oikos – жилище, дом, logos – наука). Этот термин был предложен немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г. Объектом изучения экологии являются различные уровни организации живого, начиная с популяционно-видового.

Экология решает следующие задачи:

  • исследует закономерности взаимоотношений различных групп организмов (популяций, видов и др.) с факторами внешней среды и их влияние на среду обитания;
  • изучает взаимоотношения популяций разных видов в биоценозах;
  • разрабатывает основы рационального использования природных ресурсов человеком, прогнозирует антропогенные изменения среды;
  • разрабатывает и внедряет биологические методы борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур и сорняками;
  • разрабатывает и рекомендует безотходные технологии производства.

Для решения этих задач в экологии применяют специальные методы исследования. Конкретное влияние комплекса факторов среды на развитие и жизнедеятсльность популяций изучают с помощью полевых методов путем длительного наблюдения в природе с помощью различных приборов. Экспериментальные методы позволяют устанавливать степень влияния отдельных факторов на развитие популяций. Для этого создают искусственные экологические системы (модели), аналогичные естественным. Например, аквариум может служить моделью реального водоема. Прогнозировать развитие экосистем в зависимости от изменений климата или антропогенных воздействий позволяют методы математического моделирования. В основе этих методов лежит количественный анализ наблюдений многих специалистов (биологов, гидрологов‚ климатологов и др.) в течение определенного времени. Обработка этих данных на ЭВМ позволяет предсказывать реакцию рассматриваемой экосистемы на воздействия среды и человека на многие десятилетия вперед.

Экологические факторы

Элементы окружающей среды, способные оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы, называются экологическими факторами. Они подразделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

К числу абиотических факторов относятся элементы неживой природы: свет, температура, влажность, осадки, ветер, атмосферное давление, радиационный фон, химический состав атмосферы и т.п. Биотическими факторами являются живые организмы: бактерии, протисты, грибы, растения, животные. К антропогенным факторам относят особенности среды, обусловленные трудовой деятельностью человека.

Одним из главных абиотических факторов является солнечный свет – основной источник энергии, поступающий на Землю. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит фотосинтез, который обеспечивает органическими веществами все гетеротрофные организмы.

Солнечное излучение неоднородно по своему составу, в нем различают инфракрасные (длина волны более 0,75 мкм), видимые (0,40 — 0,75 мкм) и ультрафиолетовые (менее 0,40 мкм) лучи. Инфракрасные лучи составляют около 45% лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды. Видимые лучи составляют около 50% лучистой энергии, которая особенно необходима растениям для процесса фотосинтеза и для обеспечения видимости и ориентации в пространстве всех живых существ. Растения используют на фотосинтез менее 1% солнечной энергии, остальная ее часть рассеивается в виде тепла или отражается.

Большая часть ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,29 мкм задерживается озоновым слоем атмосферы. Это излучение является губительными для живого. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3 — 0‚4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных – стимулируют синтез витамина D, пигмента кожи меланина (загар) и др.

Большинство животных способны воспринимать световые раздражения. У некоторых протистов имеются светочувствительные «глазки», с помощью которых они способны реагировать на свет (фототаксисы). Почти все многоклеточные обладают разнообразными светочувствительными органами.

По требовательности к интенсивности освещения различают светолюбивые, теневыносливые и тенелюбнвые растения.

Светолюбивые растения могут нормально развиваться только при полном освещении. Они широко распространены в сухих степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К светолюбивым растениям относятся и хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др.

Теневыносливые растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые (зверобой, земляника) растения.

Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного света и нормально развиваются в условиях затенения. К таким растениям относятся лесные травы – кислица, мхи и др.

Ритмические изменения активности светового потока, связанные с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Реакция организмов на изменения продолжительности светового дня, выражающаяся в изменении интенсивности физиологических процессов, называется фотопериодизмом. С фотопериодизмом связаны сезонные изменения (сезонные ритмы) у всех живых организмов. Увеличение длины светового дня весной стимулирует деятельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода. Укорочение светового дня осенью ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию густого меха у животных, перелетам птиц. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т.д. Осенью эти процессы затухают.

В зависимости от реакции на длину светового дня растения делят на длиннодневные, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 и более часов (рожь, овес, ячмень, картофель); короткодневные, у которых цветение наступает, когда день становится коротким, менее 12 ч (это растения преимущественно тропического происхождения – кукуруза, соя, просо, георгины) и нейтральные, цветение которых не зависит от длины светового дня (горох, гречиха).

Суточная ритмичность у растений, обусловленная сменой дня и ночи, проявляется в периодическом открытии и закрытии цветков (хлопчатник, лен, душистый табак), усилении или ослаблении физиологических и биохимических процессов фотосинтеза, скорости деления клеток и др. Суточные ритмы, проявляющиеся в периодическом чередовании активности и отдыха, характерны для животных и человека. Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство из них проявляют наибольшую активность днем (жаворонки, волки, зайцы), однако некоторые (летучие мыши, совы, крыланы) приспособились к активной жизни только в ночных условиях. Ряд животных обитают постоянно в полной темноте (паразиты кишечника, крот).

У человека обнаружены суточные колебания свыше трехсот показателей: температура тела, артериальное давление; свертываемость крови, активность коры головного мозга и др. У большинства людей наивысшая биоэлектрическая активность мозга наблюдается утром (с 8 до 12 ч) и вечером (между 17 и 19 ч). Людей, способных к наиболее активной работе утром, называют «жаворонками», а в вечернее и ночное время «совами».

Важным абиотическим фактором среды является температура. Колебания температуры на земном шаре достигают широких пределов: от +50 — 60 °С в пустынях до -7О — 80 °С в Антарктиде, однако жизнь существует и в таких экстремальных условиях (водоросли в горячих источниках, пингвины в Антарктиде). Многие низшие организмы способны выдерживать очень низкие температуры благодаря высокой концентрации в цитоплазме их клеток солей, глицерина, сахара и сниженного количества воды. У большинства же организмов процессы жизнедеятельности протекают при температурах от -4 °С до +40 — 45 °С.

Всех животных подразделяют на пойкилотермных (хладнокровных) и гомойотермных (теплокровных). У холоднокровных (беспозвоночные, рыбы, земноводные и пресмыкающиеся) температура тела непостоянна и зависит от температуры окружающей среды. Теплокровные животные (птицы, млекопитающие) и человек способны поддерживать постоянную температуру тела благодаря интенсивному обмену веществ, появлению теплоизолирующих покровов ( перья, мех, подкожная жировая клетчатка) и выработке в процессе эволюции особых механизмов ее регуляции. Важную роль в интенсификации обменных процессов у гомойотермных организмов сыграли такие ароморфозы, как четырехкамерное сердце, полное разделение артериальной и венозной крови и совершенные органы дыхания.

Одним из приспособлений животных к колебаниям температуры является миграция – временное переселение в более благоприятные условия (перелеты птиц, миграции рыб, насекомых и др.).

Многие виды холоднокровных животных приобрели способность переживать неблагоприятные условия (высокую или низкую температуру, отсутствие воды, пищи и др.) в состоянии оцепенения (насекомые, лягушки). Это состояние характеризуется неподвижностью животного, прекращением питания, резким снижением всех физиологических функций. Даже ряд млекопитающих (ежи, барсуки) впадают в зимнюю спячку. Пониженный уровень обмена веществ псддерживастся у них за счет запасов энергии (жира), накопленных ранее. Некоторые пустынные грызуны, черепахи и другие впадают в спячку на несколько летних месяцев, что обусловлено преимущественно недостатком воды.

Наиболее глубокое оцепенение наблюдается при анабиозе. Анабиоз (ana – вновь, bios – жизнь) такое состояние живых организмов, при котором все жизненные процессы настолько снижены, что видимые проявления жизни отсутствуют. В состоянии анабиоза повышается устойчивость организмов ко многим неблагоприятным факторам: недостатку кислорода и влаги, действию ядовитых веществ и ионизирующих излучений и др. Чаще всего анабиоз вызывают изменения температуры и влажности среды. Так, при пересыхании луж впадают в анабиоз многие бактерии (образуют споры), протисты (образуют цисты) и низшие ракообразные. В таком состоянии они могут сохранять жизнеспособность в течение нескольких лет.

Важным лимитирующим абиотическим фактором внешней среды является влажность, так как без воды не может существовать ни один организм. Вода является универсальным растворителем и непосредственно участвует в биохимических реакциях. Ее содержание в клетках достигает 70 — 90%. Источником воды для растений и животных служат атмосферные осадки, водоемы, подземные воды, роса и туман.

По отношению к воде растения делят на три группы: гигрофиты, ксерофиты и мезофиты.

Гигрофиты – растения, населяющие места с высокой влажностью. Это растения влажных тропиков (рис, папирус), прибрежные (камыш, тростник), болот (росянка, клюква). Они не способны переносить дефицит влаги, не имеют приспособлений, ограничивающих расход воды.

Ксерофиты – растения сухих мест ( полупустынь и пустынь), способные переносить продолжительную засуху. Ксерофиты характеризуются эффективным добыванием воды, экономным ее расходованием и способностью переносить большие потери воды. Их делят на две группы: суккуленты и склерофиты. Суккуленты запасают воду в сочных мясистых листьях (алоэ) или стеблях (кактусы). Склерофиты имеют мелкие жесткие листья, покрытые толстой кутикулой, препятствующей испарению воды (ковыли, верблюжья колючка).

Мезофиты занимают промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами. Они растут в местах с умеренной влажностью почвы и воздуха. Это растения лугов, лесов, большинство культурных растений.

При недостатке воды у животных и растений выработались приспособления для ее добывания и сохранения.

Растения засушливых мест имеют глубокие корни (у верблюжьей колючки до 16 м длиной), мелкие листья, покрытые толстой кутикулой, содержащие мало устьиц, видоизмененные в колючки листья. У полупустынных растений (кактусы, молочаи) имеются сочные мясистые стебли с сильно развитой водозапасающей тканью. Одним из приспособлений для снижения потерь воды является листопад.

У животных также выработался ряд приспособлений к недостатку влаги. Мелкие животные (грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие) довольствуются водой, поступающей вместе с пищей. Резервуаром воды для ряца животных засушливых районов служат отложения жира (горб у верблюда, жировое тело у насекомых), при окислении которого образуется необходимое количество воды. Ряд животных пустынных районов обладают способностью к длительному быстрому бегу (антилопы, куланы, сайгаки), позволяющему им совершать дальние миграции на водопой. Некоторые виды (преимущественно грызуны) перешли к ночному образу жизни, тем самым избегая перегрева и большого испарения воды.

Под биотическими факторами среды понимают компоненты живой природы, прямо или косвенно действующие на организм. Данный организм также воздействует на другие живые существа. Все виды взаимоотношений между организмами можно подразделить на конкуренцию, хищничество, антибиоз и симбиоз.

Конкурентные взаимоотношения возникают между организмами, для которых необходимы сходные условия существования. Например, саранча, грызуны и травоядные вступают между собой в конкурентные отношения из-за пищи. В конкурентные отношения могут вступать особи как одного (сосны за свет), так и разных видов (разные виды хищников за жертву).

При хищничестве наблюдается уничтожение жертвы и использование ее хищником в качестве пищи. Хищники есть среди животных всех классов хордовых (акулы, крокодилы, орлы, волки) и среди других типов (гидра, планария, морские звезды, божьи коровки). Есть хищники и среди растений (росянка).

Под антибиозом понимают такие взаимоотношения между организмами разных видов, когда особи одного вида, выделяя особые вещества, оказывают угнетающее воздействие на жизнедеятельность особей других видов. Эти вещества называются антибиотиками. Антибиотики (пенициллин, стрептомицин, биомицин), продуцируемые грибами, бактериями и другими организмами, нашли широкое применение для лечения инфекционных болезней. Некоторые высшие растения также продуцируют антибиотики, которые получили название фитонцидов. Фитонциды обычно представляют собой летучие вещества, угнетающие жизнедеятельность бактерий, грибов и протистов. Они играют большую роль в биологической очистке воздуха. Широкое применение в медицине нахошп фитонциды чеснока и лука.

Симбиозом является любое сожительство организмов разных видов. Выделяют следующие формы симбиоза: мутуализм, синойкию, комменсализм и паразитизм.

Мутуализм (взаимовыгодный симбиоз) – это сожительство организмов разных видов, приносящее взаимную пользу. Например, тело лишайников представляет собой симбиоз автотрофных протистов и грибов, микориза – симбиоз корневых волосков и гифов грибницы.

Синойкия (квартирантство) – сожительство, при котором особь одного вида использует особь другого вида только как жилище, не принося своему «живому дому» ни пользы, ни вреда. Например, пресноводная рыбка горчак откладывает икринки в мантийную полость двустворчатых моллюсков.

Комменсализм (нахлебничество) – сожительство организмов разных видов, при котором один организм использует другой как жилище и источник питания, но не причиняет ему вреда. Например, в желудочно-кишечном тракте человека находится большое количество бактерий и протистов, питающихся остатками пищи и не причиняющих вреда хозяину.

Паразитизм – это форма антагонистического сожительства организмов разных видов, при котором один организм (паразит), поселяясь на теле или в теле другого организма (хозяина), питается за его счет и причиняет ему вред. Болезнетворное действие паразитов слагается из механического повреждения тканей хозяина, отравления его продуктами обмена, питания за его счет. Паразитами являются все вирусы, многие бактерии, грибы, протисты, некоторые черви и членистоногие. Связь паразита с внешней средой осуществляется опосредованно через организм хозяина.

Антропогенные факторы связаны с деятельностью человека. Человек изменяет окружающую среду в соответствии со своими потребностями. Антропогенный фактор начал действовать при переходе человечества от собирательства к земледелию и охоте, но его влияние на природу особенно возросло в последнее время в связи с интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства и может быть как положительным, так и отрицательным.

Положительное воздействие человека проявляется в посадке лесов, парков, садов, создании и разведении высокопродуктивных новых сортов растений и пород животных, создании и охране заповедников, заказников и т.п.

Отрицательное влияние людей на природу остается все еще достаточно интенсивным: вырубаются лесные массивы, осушаются вековые болота, мелеют реки, происходит эрозия почв, загрязнение воды, почвы и воздуха отходами, нефтепродуктами, синтетическими веществами, радиоактивными изотопами и др.

Воздействие факторов на организм

Следует учитывать, что на отдельные организмы и их популяции одновременно воздействуют все факторы, создающие определенный комплекс условий среды, в котором могут обитать те или иные организмы. Отдельные факторы могут усиливать или ослаблять действие других факторов. Например, при оптимальной температуре повышается выносливость организмов к недостатку влаги и пищи; в свою очередь обилие пищи увеличивает устойчивость организмов к неблагоприятным климатическим условиям.

Степень влияния факторов окружающей природы зависит от силы их действия. При оптимальной силе воздействия данный вид нормально живет, размножается и развивается (экологический оптимум, создающий наилучшие условия жизни). При значительных отклонениях от оптимума как в сторону повышения силы фактора, так и в сторону ее понижения жизнедеятельность организмов угнетается. Максимальное и минимальное значение фактора, при которых еще возможна жизнедеятельность, называется пределами выносливости.

Фактор, интенсивность которого приближается к пределу выносливости или превышает его, называется лимитирующим (ограничивающим жизнедеятельность). Если интенсивность хотя бы одного экологического фактора выходит за пределы выносливости, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, организмам грозит гибель.

Оптимальное значение фактора, как и пределы выносливости, неодинаковы для разных видов и даже для отдельных особей одного и того же вида. Одни виды обладают широким диапазоном выносливости, другие узким. Например, сосна может расти на песках и на болотах, а кувшинка без воды погибает.

Экологический фактор
Схема действия экологического фактора

Значение факторов внешней среды неравноценно. Например, зеленые растения не могут существовать без света, диоксида углерода и минеральных солей. Животные не могут жить без пищи и кислорода. Некоторые факторы могут быть относительно безразличны для растительных и животных организмов, например содержание азота в атмосфере.

Сочетание условий среды, обеспечивающих усиленный рост, развитие и размножение каждого организма (популяции, вида), называют экологическим (биологическим) оптимумом. Создание условий экологического оптимума при выращивании сельскохозяйствснных растений и животных позволяет значительно повышать их продуктивность.

Среды жизни

На Земле имеется четыре основные среды жизни: водная, наземо-воздушная, почвенная и живой организм.

Водная среда (гидросфера) первичная среда жизни, занимающая 71% площади нашей планеты. Вода обладает большой плотностью (в 1300 раз плотнее воздуха), теплоемкостью (в 500 раз больше воздуха) и теплопроводностью (в 30 раз выше воздуха). В зависимости от содержания растворенных солей воды подразделяют на: пресные, солоноватые, морские и пересоленные. В воде растворяются и газы. Кислорода в воде содержится в 30 раз меньше, чем в том же объеме воздуха. Организмы, живущие в воде, называются гидробионтами. Лимитирующими факторами жизни в глубоких слоях воды являются низкое содержание кислорода, отсутсвие света, высокое давление и соленость.

Адаптациями к недостатку кислорода в водной среде являются:

  • относительно низкий уровень обменных процессов;
  • непостоянная температура тела;
  • способность впадать в анабиоз.

Адаптации к высокой плотности среды могут быть разными:

  • мелкие организмы используют высокую плотность воды для свободного парения (фито- и зоопланктон), эти организмы не способны противостоять течению, они перемещаются течением воды (протисты, мелкие ракообразные);
  • вторую группу гидробионтов составляют активно плавающие животные (нектон), способные преодолевать силу течения. Для них характерна обтекаемая форма тела и развитая мускулатура. Типичными представителями этой группы являются рыбы и головоногие моллюски;
  • дно водоемов заселено организмами бентоса, которые могут иметь известковый скелет (моллюски), толстую хитинизированную кутикулу (раки, крабы), органы прикрепления к грунту (корни у растений, присоски у пиявок).

Наземно-воздушная среда характеризуется низкой плотностью, малой подъемной силой, низкой сопротивляемостью движению. Наземные организмы живут в условиях относительно низкого и почти постоянного давления. Воздух быстро нагревается и быстро охлаждается. Воздух обладает высокой подвижностью как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, что обусловливает быстрое изменение влажности и температуры в широких пределах. Различные сочетания температуры, влажности, осадков, освещенности, силы и направления ветров создают разные климатические условия, к которым должны приспосабливаться обитатели суши.

У наземных обитателей хорошо развиты опорные системы (наружный и внутренний скелет у животных, механическая ткань у многих растений). Большинство обитателей суши приспособились к быстрому передвижению (птицы, млекопитающие). Подвижность воздуха используется растениями (споры, семена) и животными (пауки) для пассивного расселения. Выработанная в процессе эволюции наземных животных способность к внутреннему оплодотворению сделала их независимыми от наличия воды. Силы земного притяжения ограничили размеры и массу наземных обитателей по сравнению с водными (масса слона – 5 т, синего кита – 150 т).

Почва состоит из твердых частиц, между которыми находятся воздух и вода. Верхний слой почвы содержит перегной, средний – вымытые из верхнего слоя вещества, а нижний – материнскую породу. В верхнем слое почвы содержится много кислорода и мало диоксида углерода, с глубиной количество O2 уменьшается, а количество СО2 возрастает. Почвенные животные имеют компактное тело и слабо развитые органы зрения. Мелкие животные (клещи, насекомые) испопользуют для передвижения коготки на лапках, средние и крупные (медведки, кроты) – копательные конечности.

Любой организм может служить средой обитания для организмов других видов – паразитов. Адаптации к паразитическому образу жизни довольно многочисленны:

  • наличие специальных органов прикрепления ( крючья, присоски);
  • развитие кутикулярных покровов и выделение антиферментов;
  • высокая степень развития половой системы, гермафродитизм;
  • упрощение строения нервной системы и органов чувств;
  • способность к смене хозяев.

Приспособленность организмов к жизни в разных средах является результатом длительного действия естественного отбора.

Оставьте комментарий