Как влияют абиотические факторы среды на формирование видовой структуры биоценозов?

Абиотические — факторы неживой природы:

· климатические: годовая сумма температур, влажность, давление воздуха

· эдафические (эдафогенные): механический состав почвы, воздухопроницаемость почвы, кислотность почвы, химический состав почвы

· орографические: рельеф, высота над уровнем моря, крутизна и экспозиция склона

· химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность

· физические: шум, магнитные поля, теплопроводность и теплоёмкость, радиоактивность, интенсивность солнечного излучения

· Воздействие факторов среды на живые организмы в отдельности и сообщества в целом многогранно. При оценке влияния того или иного фактора среды важным оказывается характеристика интенсивности действия его на живую материю: в благоприятных условиях говорят об оптимальном, а при избытке или недостатке- ограничивающим факторе.

· Температура. Большинство видов приспособлено к довольно низкому температурному режиму. Некоторые организмы особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры микроорганизмов выдерживают охлаждение до 200 градусов. Отдельные виды бактерий и водорослей могут жить и размножаться в горячих источниках при температуре +80- +88 градусов. Диапазон температуры колебания в воде значительно меньше, чем на суше, соответственно и приделы выносливости и к колебаниям температуры у водных организмов уже, чем у наземных. Однако и для наземных и для водных обитателей оптимальной является температура в пределах 15-30 градусов.

· Различают организмы с непостоянной температурой тела- пойкилотермные ( от греч. poikilos – различный, переменчивый и therme- тепло) и организмы с постоянной температурой тела- гомойотермные ( от греч. homoios- подобные и therme- тело). Температура тела пойкилотермных организмов зависит от температуры окружающей среды. Её повышение вызывает у них интенсификацию жизненных процессов и, в известных пределах, ускорение развития.

· В природе температура не постоянна. Организмы, которые подвергаются воздействию сезонных колебаний температур, что наблюдается в умеренных зонах, хуже переносят постоянную температуру. Резкие колебания температуры- сильные морозы или зной - также не благоприятны для организмов. Существует много приспособлений для борьбы с охлаждением или перегревом. С наступлением зимы растения и пойкилотермные животные впадают в состояние покоя. Интенсивность обмена веществ резко снижается, в тканях запасается много жиров и углеводов. Количество воды в клетках уменьшается, накапливаются сахара и глицерин, препятствующие замерзанию. В жаркое время года включаются физиологические механизмы, защищающие от перегрева. У растений усиливается испарение воды через устьица, что приводит к снижению температуры листьев. У животных в этих условиях также усиливается испарение воды через дыхательную систему и кожные покровы. Кроме того, пойкилотермные избегают перегрева путем приспособительного поведения: выбирают место обитания с наиболее благоприятным микроклиматом, в жаркое время дня скрываются в норах или под камнями, проявляют активность в определенное время суток и т. п.

· Таким образом, температура среды представляет собой важный и зачастую ограничивающий жизненные проявления фактор.

· Гораздо менее зависят от температурных условий среды животные гомойотермные – птицы и млекопитающие. Ароморфные изменения строения позволили этим двум классам сохранять активность при очень резких перепадах температур и освоить практически все места обитания.

· Угнетающее действие низких температур на организмы усиливается сильными ветрами.

· Свет. Свет в форме солнечной радиации обеспечивает все жизненные процессы на Земле (рис.1). Для организмов важны длина волны воспринимаемого излучения, его интенсивность и продолжительность воздействия (длина дня или фотопериод). Ультрафиолетовые лучи с длиной волны более 0,3 мкм. составляет примерно 40% лучистой энергии, достигающей земной поверхности. В небольших дозах они необходимы животным и человеку. Под их воздействием в организме образуется витамин Д. Насекомые зрительно различают ультрафиолетовые лучи и пользуются этим для ориентации на местности в облачную погоду. Наибольшее влияние на организм оказывает видимый свет с длиной волны 0,4- 0,75 мкм. Энергия видимости света составляет около 45% общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Видимый свет менее всего ослабляется при прохождении через плотные облака и воду. Поэтому, фотосинтез может идти и при пасмурной погоде, и под слоем воды определенной толщины. Но всё же на синтез биомассы расходуется от 0,1 до 1% приходящей солнечной энергии.

· В зависимости от условий обитания растения адаптируется к тени - теневыносливые растения или, напротив, к яркому солнцу - светолюбивые растения. К последней группе относятся хлебные злаки.

· Чрезвычайно важную роль в регуляции активности живых организмов и их развития играет продолжительность воздействия света - фотопериод. В умеренных зонах выше и ниже экватора, цикл развития растений и животных приурочен к сезонам года и подготовка к изменению температурных условий осуществляется на основе сигнала длины дня, которая в отличии от других сезонных факторов в определенное время года в данном месте всегда одинакова. Фотопериод представляет собой как бы пусковой механизм, последовательно включающий физиологические процессы, приводящие к росту, цветению растений весной, плодоношению летом и сбрасыванию ими листьев осенью, а также к линьке и накоплению жира, миграции и размножению у птиц и млекопитающих, наступлению стадии покоя у насекомых.

· Кроме сезонных изменений смена дня и ночи определяет суточный ритм активности как целых организмов, так и физиологических процессов. Способность организмов ощущать время, наличие у них «биологических часов» - важное приспособление, обеспечивающее выживание особи в данных условиях среды.

· Инфракрасное излучение составляет 45% от общего количества лучистой энергии, падающей на Землю. Инфракрасные лучи повышают температуру тканей растений и животных, хорошо поглощаются объектами неживой природы, в том числе водой.

· Для продуктивности растений, т. е. образования органического вещества, наиболее важен такой показатель, как суммарное прямое солнечное излучение, получаемое за длительные промежутки времени (месяц, год.). В условиях быстрого роста населения особое значение приобретает селекционная работа по выведению наиболее продуктивных сортов культурных растений и охрана окружающей среды от вредных последствий производимой деятельности человека.

· Влажность. Вода - необходимый компонент клетки, поэтому количество её в тех или иных местообитаниях служит ограничивающим фактором для растений и животных и определяет характер флоры и фауны в данной местности. Избыток воды и почв приводит к развитию болотной растительности. В зависимости от влажности почвы (и годового количества осадков) видовой состав растительных сообществ меняется. При годовом количестве осадков 255мм. и менее развивается пустынный ландшафт. Неравномерное распределение осадков по временам года так же представляет важный ограничивающий фактор для организмов. В этом случаи растениям и животным приходится переносить длительные засухи. В короткий период высокой влажности почвы происходит накопление первичной продукции для сообщества в целом. Им определяется размер годового запаса пищи для животных и сапрофагов (от греч. sapros- гнилой и phagos- пожиратель) – организмов, разлагающих органические остатки.

· В природе, как правило, существуют суточные колебания влажности воздуха, которые на ряду со светом и температурой регулируют активность организмов. Влажность, как экологический фактор, важна тем, что изменяет эффект температуры. Температура оказывает более выраженное влияние на организм, если влажность очень высока или низка. Точно также роль влажности повышается, если температура близка к пределам выносливости данного вида. Виды растений и животных, обитающие в зонах с недостаточной степенью увлажнения, в процессе естественного отбора эффективно приспособились к неблагоприятным условиям засушливости. У таких растений мощно развита корневая система, повышенно осмотическое давление клеточного сока, способствующее удержанию воды в тканях, утолщена кутикула места, сильно уменьшена или превращена в колючки листовая пластинка (рис.2). У некоторых растений (саксаул) листья утрачиваются, а фотосинтез осуществляется зелёными стеблями. При отсутствии воды рост пустынных растений прекращается, в то время как влаголюбивые растения в таких условиях увядают и гибнут. Кактусы способны запасать большое количество воды в тканях и экономно её расходовать. Аналогичное приспособление у африканских пустынных молочаев, что служит примером параллельной эволюции неродственных групп в сходных условиях среды.

· У пустынных животных также есть целый ряд физиологических адаптаций, позволяющих переносить недостаток воды. Мелкие животные- грызуны, пресмыкающиеся, членистоногие - извлекают воду из пищи. Источником воды служит и жир, накапливающийся у некоторых животных в больших количествах ( горб у верблюда). В жаркое время года многие животные (грызуны, черепахи) впадают в спячку, продолжающую несколько месяцев.

· Ионизирующие излучение. Излучение с очень высокой энергией, которое способно приводить к образованию пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирующим. Его источником являются радиоактивные вещества, содержащиеся в горных пародах, кроме того, оно поступает из космоса.

· Интенсивность ионизирующего излучения в окружающей среде значительно повысилось в результате использования человеком атомной энергии. Испытания атомного оружия, атомные электростанции, получение топлива для них и захоронения отходов, медицинские исследования атомной энергии создают локальные «горячие пятна» и образуют отходы, нередко попадающие в окружающую среду в процессе транспортировки или хранения.

· Из трёх видов ионизирующего излучения, имеющих важное экологическое значения, два представляют собой корпускулярное излучение ( альфа - и бета- частицы), а третье электромагнитное ( гамма- излучение и близкое ему рентгеновское излучение).

· Корпускулярное излучение состоит из потока атомных или субатомных частиц, которые передают свою энергию всему, с чем они сталкиваются. Альфа- излучение- это ядра гелия, они имеют огромные, по сравнению с другими частицами, размеры. Длина их разбега в воздухе составляет всего несколько сантиметров. Бета- излучение- это быстрые электроны. Их размеры гораздо меньше, длина пробега в воздухе равна нескольким метрам, а в тканях животного или растительного организма - нескольким сантиметрам. Что касается ионизирующего электромагнитного излучения, то оно сходно со световым, только длина волны у него гораздо короче. Оно проходит в воздухе большое расстояние и легко проникает в вещество, высвобождая свою энергию на протяжении длинного следа. Гамма- излучение, например, легко проникает в живые ткани; это излучение может пройти сквозь организм, не оказав никакого воздействия, или же может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути. Биологи не редко называют радиационные вещества, испускающие альфа - и бета-излучение «внутренними излучателями», т. к. они обладают наибольшим эффектом, будучи поглощёнными или оказавшись каким то иным способом внутри организма. Радиоактивные вещества, испускающие преимущество гамма – излучение, относят к «внешним излучателям», т. к. это проникающее излучение может оказывать действие, когда его источник находится вне организма.

· Космическое и ионизирующее излучения, испускаемые природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде и почве, образуют так называемое фоновое излучение, к которым адаптированы ныне существующие животные и растения. В разных частях биосферы естественный фон различается в 3-4 раза. Наименьшая его интенсивность наблюдается около поверхности моря, а наибольшая на больших высотах в горах, образованных гранитными пародами. Интенсивность космического излучения возрастает с увеличением высоты местности над уровнем моря, а гранитные скалы содержат больше встречающихся в природе радио нуклидов, чем осадочные породы.

· В целом ионизирующее излучение оказывает на более высокоразвитые и сложные организмы наиболее губительное действие, причём человек отличается особой чувствительностью.

· Большие дозы, получаемые организмом за короткое время (минуты или часы), называют общими дозами в противоположность хроническим дозам, которые организм мог бы выдержать на протяжении всего своего жизненного цикла. Воздействие низких, хронических доз измерить сложнее, т. к. они могут вызывать отдалённые генетические и соматические последствия. Любое повышение уровня излучения в среде над фоновым или даже высокий естественный фон может повысить частоту вредных мутаций.

· У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру ядра. У высших животных не обнаружено такой простой или прямой зависимости между чувствительностью и строением клеток, для них более важное значение имеет чувствительность отдельных систем организмов. Так, млекопитающие очень чувствительны даже к низким дозам в следствие лёгкой повреждаемости облучением быстро делящийся кроветворной ткани – костного мозга. Чувствителен и пищеварительный тракт, а повреждение не делящихся нервных клеток наблюдается только при высоких уровнях облучения.

· Попадая в окружающую среду, радионуклиды рассеиваются и разбавляются, но они могут различными способами накапливаться в живых организмах при движении по пищевой цепи. Радиоактивные вещества могут также накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость естественного радиоактивного распада.

· Загрязняющие вещества. Условия жизни человека и устойчивость природных биогеоцтнозов в течении последних десятилетий быстро ухудшается в следствии загрязнения окружающей среды веществами, образующимися в результате его производственной деятельности. Эти вещества можно разделить на две группы: природные соединения, являющиеся отходами технологических процессов, и искусственные соединения, не встречающиеся в природе.

· К первой группе относятся сернистый ангидрид (медеплавильное производство), углекислый газ (тепловые электростанции), оксиды азота, углерода, углеводороды, соединения меди, цинка и ртути и др., минеральные удобрения (главным образом, нитраты и фосфаты).

· Во вторую группу входят искусственные вещества, обладающие специальными сведеньями, удовлетворяющими потребности человека: пестициды (от лат. pestis- зараза, разрушение и cido- убивать), используемые для борьбы с животными – вредителями сельскохозяйственных культур, антибиотики, применяемые в медицине и ветеринарии для лечения инфекционных заболеваний. К пестицидам относятся инсектициды (от лат. insecta- насекомые и cido- убивать) – средства для борьбы с вредными насекомыми и гербициды (от лат. herba- трава, растения и cido- убивать)- средство для борьбы с сорняками.

· Все они обладают определённой токсичностью (ядовитостью) для человека. Одновременно они служат антропогенными абиотическими факторами среды, оказывающими значимое влияние на видовой состав биогеоцинозов. Это влияние выражается в: изменение свойств почвы (переход в растворимое состояние токсичных элементов, нарушение структуры, обеднение его видового состава); изменение свойств воды (повышенная минерализация, повышение содержания нитратов и фосфатов, насыщение поверхностно- активными веществами); изменения соотношения элементов в почве и воде, что приводит к ухудшению условий развития растений и животных.

· Подобные изменения служат факторами отбора, в результате действия которых формируется новые растительные и животные сообщества с обедненным видовым составом.

· Интенсивность действия факторов среды. Некоторые свойства среды остаются постоянными на протяжении длительных периодов времени. Таковы силы тяготения, интенсивность солнечного излучения, солевой состав океана, газовый состав и свойства атмосферы. Большинство же экологических факторов- температура, влажность, ветер, количество и равномерность выпадения осадков, укрытия, хищники, паразиты, конкуренты и пр.- очень изменчиво как в пространстве, так и во времени.

· Изменения факторов среды по силе действия на организмы могут быть: 1) регулярно - периодическими, например в связи со временем суток, сезоном года или ритмом приливов и отливов в океане; 2) не регулярными, например изменение погодных условий в разные годы, катастрофы (бури, ливни, обвалы и т. д.); 3) направленными: при похолодании или потеплении климата, зарастания водоёмов и т. д. Популяции организмов, обитающих в какой то определённой среде, приспосабливаются к этому не постоянству путём естественного отбора. У них вырабатываются те или иные морфологические и физиологические особенности, позволяющие существовать именно в этих и не в каких других условиях среды. Для каждого влияющего на организм фактора существует благоприятная сила воздействия, называемая зоной оптимизма экологического фактора или просто его оптимизма. Для организмов данного вида отклонение от оптимальной интенсивности действия фактора (уменьшение или увеличение) угнетает жизнедеятельность. Границы, за пределами которых наступает гибель организма, называются верхним и нижним пределом выносливости. Установлено, что в очень суровых условиях среды численность популяций падает ниже тех уровней, при которых они конкурируют. На основании этого вывода и учитывая, что при наиболее благоприятных абиотических факторах плотность популяции уменьшается под действием хищников, Дж. Коннелл предложил схему, в соответствии с которой в мягких условиях тропиков главное — устоять против растительноядных организмов, а с увеличением широты основным становится противодействие конкуренции. В неблагоприятных условиях или условиях экологической монотонности число видов мало и межвидовая конкуренция снижается. Р. Крогерус (1932) констатировал эмпирическое правило приспособления (специализации) к экстремальным условиям: в биотопах с экстремальными условиями складываются биоценозы из строго специализированных видов с относительно большим числом особей.

5. Авторы и происхождение терминов "экология", "биоценоз", "биота"

Эколо́гия (от др.-греч. οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество и λόγος — понятие, учение, наука) — наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»). Современное значение понятия экология имеет более широкое значение, чем в первые десятилетия развития этой науки. В настоящее время чаще всего под экологическими вопросами ошибочно понимаются, прежде всего, вопросы охраны окружающей среды (см. также энвайронментализм). Во многом такое смещение смысла произошло благодаря всё более ощутимым последствиям влияния человека на окружающую среду, однако необходимо разделять понятия ecological («относящееся к науке экологии») и environmental («относящееся к окружающей среде»). Всеобщее внимание к экологии повлекло за собой расширение первоначально довольно чётко обозначенной Эрнстом Геккелем области знаний (исключительно биологических) на другие естественнонаучные и даже гуманитарные науки.

Два альтернативных определения данной науки:

· Экология — познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды… Одним словом, экология — это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование.

· Экология — биологическая наука, которая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и изменённых человеком условиях.

Второе определение дано на 5-м Международном экологическом конгрессе (1990) с целью противодействия размыванию понятия экологии, наблюдаемому в настоящее время. Однако это определение полностью исключает из компетенции экологии как науки аутэкологию (см. ниже), что в корне неверно.

Уже с давних времён люди стали замечать различные закономерности во взаимодействии животных друг с другом и с окружающей средой. Однако, в те времена даже биология не была отдельной.наукой, являясь частью философии. Первые описания экологии животных можно отнести к индийским и древнегреческим трактатам:

· Индийские трактаты «Рамаяна», «Махабхарата» (VI—I века до н. э.) — Образ жизни зверей (более 50 видов), местообитания, питание, размножение, суточная активность, поведение при изменениях природной обстановки.

· Аристотель — «История животных» — экологическая классификация животных, среда обитания, тип движения, местообитания, сезонная активность, общественная жизнь, наличие убежищ, использование голоса.

· Теофраст — даны основы геоботаники а также описано приспособительное значение изменений в окраске животных.

· Плиний Старший — «Естественная история» — представлены экономический характер зооэкологических представлений.

В Новое время, которое характеризуется подъёмом в области научного знания, экологические закономерности выявлялись учёными-энциклопедистами, зачастую весьма далекими от биологии в своих основных исследованиях.

· Р. Бойль — им проведён один из первых экологических экспериментов — влияние атмосферного давления на животных, стойкость к вакууму водных, земноводных и др. пойкилотермных животных.

· Антони Ван Левенгук — описание пищевых цепей, регулирование численности популяций.

· Р. Брэдли — впервые экология описывается количественно — роль воробьиных птиц в истреблении вредных насекомых.

· В. Ф. Зуев (ученик П. С. Палласа) «Начертания естественной истории» — первый в России школьный учебник. Описания экологии белки.

· Э. Циммерман — Зоогеография (1777) — Зависимость распространения млекопитающих от климата как по причине его прямого влияния, так и через растительность, как важнейший источник пищи для животных.