Основные абиотические факторы и их влияние на организмы

Существует ряд экологических факторов абиотической природы, влияние которых на живые организмы почти везде практически одинаково. К ним, например, относится сила тяготения (гравитация).

Рассмотрим важнейшие из них.

Солнечный свет. Условия жизни организмов определяются общим потоком излучения в окружающей их среде. Организмы, которые живут на поверхности планеты или вблизи нее, воспринимают поток энергии, состоящий из солнечного излучения и длинноволнового теплового излучения от соседних тел. Именно эти два фактора обусловливают климатические условия среды – температуру, скорость испарения воды, движения воздуха и воды.

Адаптационные ритмы жизни. Из-за осевого вращения Земли и движения вокруг Солнца развитие жизни на планете происходило в условиях регулярной смены дня и ночи, а также чередования времен года. Подобная ритмичность создает в свою очередь периодичность, т.е. повторяемость условий, в жизни большинства видов. При этом вполне закономерно изменяется и действие большого числа экологических факторов: освещенности, температуры, влажности, давления атмосферного воздуха, всех компонентов погоды. Проявляется регулярность в повторении как критических для выживания периодов, так и благоприятных.

К указанным ритмам организмы приспособлены таким образом, что их физиологическое состояние и поведение изменяются в полном соответствии с циклическими изменениями внешней среды. Для жизнедеятельности разных видов организмов выделяют суточные, годовые и приливно-отливные ритмы.

Суточные ритмы приспосабливают организмы к смене дня и ночи. При этом суточный ритм может влиять на многие процессы в организме. Так, у человека около ста физиологических характеристик подчиняются суточному циклу: кровяное давление, температура тела, частота сокращения сердца, ритм дыхания, выделение гормонов и многие другие.

Годовые ритмы приспосабливают организмы к сезонной смене условий. Благодаря этому, например, самые уязвимые для многих видов процессы размножения и выращивания молодняка приходятся на наиболее благоприятный сезон.

Приливно-отливные ритмы. Виды организмов, обитающие в прибрежной или донной части мелководья (на литорали), в которую свет проникает до дна, находятся в условиях очень сложной периодичности внешней среды. На 24-часовой цикл колебания освещенности и других факторов накладывается еще чередование приливов и отливов. В течение лунных суток (24 ч 50 мин) наблюдаются 2 прилива и 2 отлива. Дважды в месяц (новолуние и полнолуние) сила приливов достигает максимальной величины.

Интенсивность света влияет на первичное продуцирование органического вещества фотоавтотрофами.

Ультрафиолетовые лучи имеют самую высокую энергию квантов и, соответственно, наибольшую фотохимическую активность. У растений и животных УФ-лучи способствуют синтезу некоторых биологически активных соединений, например витаминов.

Видимый свет для фототрофных и гетеротрофных организмов имеет разное экологическое значение. У зеленых растений сформировался светопоглотительный пигментный комплекс, способствующий осуществлению процесса фотосинтеза, возникновению яркой окраски цветков, которая привлекает опылителей. Свет влияет на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения. Для животных чрезвычайно важна роль видимого света, его спектральных участков и плоскости поляризации в целях пространственной ориентации, в регуляции многих физиолого-биохимических процессов.

Инфракрасные, или тепловые, лучи несут основное количество (до 45%) тепловой энергии. При этом наиболее легко поглощается тепло водой, количество которой в организмах, как известно, весьма значительно. В свою очередь это приводит к нагреванию всего организма, что имеет особенно важное значение для холоднокровных животных (например, рептилий). В отношении растений важнейшая функция ИК-лучей состоит в осуществлении транспирации, с помощью которой из листьев водяными парами отводится излишек тепла, а также создаются условия для проникновения диоксида углерода через устьица листьев в процессе фотосинтеза.

Температура. Из всего комплекса факторов температура занимает по своей значимости второе место после света почти во всех средах обитания. Экологическое значение тепла состоит прежде всего в том, что температура окружающей среды определяет температуру организмов, она также оказывает непосредственное влияние на скорость и характер протекания всех химических реакций, определяющих обмен веществ.

Любой организм способен существовать лишь в определенном диапазоне температуры, ограниченном нижней и верхней летальной (смертельной) температурой. Многие растения и животные при постепенной подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры: некоторые насекомые переносят понижение температуры до -45 °С, лиственница в районе Верхоянска выдерживает от -50 до -70 °С. Эта холодостойкость обусловлена способностью клеток накапливать вещества с криопротекторными (холодозащитными) свойствами: глицерин, сахароза и др. Такие изменения пределов выносливости под влиянием предшествующих условий называютакклиматизацией.

Имеются организмы с непостоянной температурой тела - пойкилотермные (холоднокровные) и организмы с постоянной температурой тела - гомойотермные (теплокровные). Частный случай гомойотермии – гетеротермия – характерен для животных, которые впадают в оцепенение или спячку при наступлении неблагоприятного периода года. В активном состоянии они способны поддерживать высокую температуру тел, а в неактивном – пониженную, что сопровождается замедлением обмена веществ.

Влажность. Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом, возможны только при достаточном обеспечении его водой. Она является одновременно и климатическим, и эдафическим (средообразующим) фактором, поскольку многим организмам, особенно растениям, вода требуется в определенном состоянии и в атмосфере, и в почве. В растениях вода присутствует в двух формах: свободной и связанной (в последнем случае ее водород химически связан в тканях растений).

Об исключительно важном биологическом значении воды свидетельствует тот факт, что тела живых организмов в основном состоят из воды. В растениях ее от 40 до 90%. Организм новорожденного состоит из воды приблизительно на 75%. В теле взрослого человека ее содержание достигает 63%. Растения погибают при потере около 50% воды. Для человека необходимо постоянно поддерживать и обновлять запасы воды в своем организме, потребляя в сутки не менее 2…3 л воды. Обезвоживание организма на 10% уже опасно, а на 25% - смертельно для человека. Таким образом, удовлетворение потребностей в воде и борьба против ее возможных потерь составляют для сухопутных обитателей важнейшие экологические задачи.

Вода для живых организмов служит и «универсальным растворителем»: именно в растворенном виде транспортируются питательные вещества, гормоны, выводятся вредные продукты обмена и др.

Два абиотических фактора – температура и количество осадков (дождя или снега) – определяют размещение по земной поверхности основных наземных биомов – очень крупных экосистем (степь, тайга, тундра, пустыня и др.). Режим температуры и осадков на некоторой территории в течение достаточно долгого периода времени называют климатом.

Отметим, что действие многих абиотических факторов, включая рельеф, ветер, тип почв и т.д., проявляется опосредованно – через температуру и (или) влажность. Вследствие этого на небольшом участке земной поверхности климатические условия могут существенно отличаться от средних для данного региона в целом. Такие локальные (местные) условия называются микроклиматом. Он формируется, например, на опушке леса, склоне холма, берегу озера, в норе и т.п.

Физические свойства воды – плотность, удельная теплоемкость, растворенные в ней соли и газы, водородный показатель рН, а также ее движение являются для обитателей водной среды экологическими факторами их приспособления и выживания.

Классификация организмов по отношению к влажности (а, следовательно, и распределение по различным местообитаниям) включает следующие группы: 1) организмы водные, или гидрофильные (гидрофиты) – живут постоянно в воде; 2) организмы гигрофильные (гигрофиты) – могут жить только в очень влажных местообитаниях с воздухом, насыщенным или близким к насыщению (нижние ярусы серых лесов, заболоченные участки). К этой группе относятся и большинство взрослых особей амфибий (например, лягушки), кровососущие комары, дождевые черви и многие другие представители почвенной фауны; 3) организмы мезофильные (мезофиты), отличающиеся умеренной потребностью в воде или во влажности атмосферы и могущие переносить смену сухого и влажного сезонов. К ним относится большое количество животных умеренного пояса и большинство культурных растений; 4) виды ксерофильные (ксерофиты), живущие в сухих местообитаниях с недостатком воды, как в воздухе, так и в почве (пустыни и прибрежные дюны). Среди животных эта группа представлена многочисленными насекомыми, они отличаются особенной адаптацией к сухости. Отдельный вид улиток может оставаться жизнеспособным более четырех лет, впадая в летнюю спячку, когда становится слишком сухо.

Животные способны получать воду разными путями: через кишечный тракт у видов, пьющих воду; путем использования воды, содержащейся в пище; посредством проникновения воды через кожный покров у амфибий; наконец, используя метаболическую воду, образующуюся при окислении жиров. Верблюды способны переносить потери воды до 27% массы тела, поскольку при окислении 100 г жиров образуется до 110 г воды.

Потери воды организмами связаны с транспирацией и испарением через кожный покров, с дыханием, а также с выделением мочи и экскрементов. Хотя животные способны выдерживать кратковременные потери воды, но в целом расход ее должен возмещаться приходом. Подчеркнем, что обезвоживание приводит к гибели быстрее, нежели голодание.

Атмосферный воздух. Представляя собой физическую смесь газов различной природы, воздух имеет для всего живущего исключительное значение. Он является той материальной средой, с которой тесно связана жизнедеятельность практически всех организмов. С позиции экологии, воздух – это не только газовая оболочка планеты, но и газовая компонента почвы, растворенные газы природных вод и тканевых жидкостей организмов. Подобно другим экологическим факторам, воздух, воздействуя физически и химически на земную кору, обусловливает важнейшие геологические процессы, которые протекают на поверхности планеты.

Состав чистого сухого воздуха практически одинаков во всех местностях земного шара: (в объемных процентах): азот – 78,01; кислород – 20,95; аргон – 0,93; диоксид углерода – 0,032. Помимо аргона воздух содержит малые количества других благородных газов (неона, гелия, криптона, ксенона), а также водорода, озона, диоксида серы, оксида углерода (II), аммиака и др. В воздухе имеются также водяной пар (до 4%), количество которого определяется температурой, эфирные масла и другие выделения растений.

Обладая низкой плотностью, довольно высоким содержанием кислорода и относительно малым количеством водяных паров, воздух во многом определяет особенности передвижения и образа жизни сухопутных живых существ, а также, их дыхания и водообмена. Напомним, что наземно-воздушная среда обитания была освоена организмами в ходе эволюции значительно позднее, нежели водная.

Относительно низкая плотность воздуха и связанные с ней малая подъемная сила и незначительная опорность потребовала для обитателей наземно-воздушной среды создания собственной опорной системы, которая поддерживает тело. Для растений это разнообразные механические ткани, для животных, как правило, твердый скелет.

Поскольку малая плотность воздуха обусловливает и низкую сопротивляемость передвижению в нем, многие наземные животные (до 75% видов) в ходе эволюции приобрели способность к полету.

Летают наземные животные (преимущественно птицы и насекомые) в основном с помощью мускульных усилий, но некоторые могут и планировать. Жизнь во взвешенном состоянии невозможна; и хотя многие животные, микроорганизмы, споры, семена и пыльца растений способны длительно находиться в воздухе, основная функция жизненного цикла организмов – размножение – осуществляется только на поверхности земли.

Кроме физических средств воздушной среды для существования наземных организмов весьма важны многие ее компоненты.

Кислород является жизненно необходимым для абсолютного большинства живых организмов. Только анаэробные бактерии могут развиваться в бескислородной среде. Благодаря кислороду протекают экзотермические реакции, в результате которых высвобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. В химически связанном состоянии кислород входит в состав многих важных органических и минеральных соединений живых организмов. Первостепенна роль кислорода в процессах дыхания животных и растительных организмов: при содержании его в воздухе на уровне 14% многие млекопитающие гибнут.

Важным экологическим аспектом является повышение растворимости кислорода в воде по мере уменьшения ее температуры. Фауна водных бассейнов полярных и приполярных широт весьма обильна и разнообразна, главным образом вследствие повышенного содержания кислорода в холодной воде. Напротив, в теплых водах тропических бассейнов пониженная концентрация растворенного кислорода ограничивает дыхание, затрудняет жизнедеятельность и соответственно снижает численность водных животных.

Диоксид углерода СО₂ является одной из важнейших и преобладающих форм первостепенного биогенного элемента углерода в природе. Обладая особыми физическими и химическими свойствами, он является циркулирующей формой неорганического углерода. Вследствие относительно небольшого количества этого газа в воздухе даже небольшие колебания в его содержании заметно отражаются на процессе фотосинтеза.

В природе основным источником диоксида углерода служит так называемое почвенное дыхание. Так, например, почва букового леса выделяет от 15 до 22 кг/га в час этого газа. Другими источниками выступают процессы горения, вулканы, промышленные предприятия и транспорт. Особенно мощным антропогенным загрязнителем атмосферы диоксидом углерода является теплоэнергетика.

Азот воздуха – нейтральный газ для большинства организмов, особенно животных. Однако для значительной группы микроорганизмов (клубеньковых бактерий, сине-зеленых водорослей и др.) азот – это фактор жизнедеятельности. Названные микроорганизмы, усваивая молекулярный азот, после отмирания и минерализации снабжают корни высших растений доступными формами данного элемента. Тем самым азот включается в азотсодержащие вещества растений (аминокислоты, белки, пигменты и др.). В дальнейшем биомасса этих растений потребляется травоядными животными и т.д. по пищевой цепи.

Озон является одним из важнейших компонентов воздуха. Он имеет существенное эколого-биологическое значение, несмотря на крайне низкое количественное содержание в атмосфере (6-10^-5 % по массе). Это связано с тем, что молекула озона О₃ весьма активно поглощает коротковолновое УФ-излучение Солнца и, таким образом, является защитным экраном от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на Земле.

Аргон, неон, гелий и другие благородные газы атмосферы в экологическом плане считаются нейтральными (на данном уровне знания).

Загрязнения антропогенного происхождения, поступающие в воздух, весьма существенно влияют на живые организмы. Особенно это присуще ядовитым газообразным веществам – диоксиду серы, метану, оксиду углерода (II), диоксиду азота, сероводороду, соединениям хлора, а также частицам пыли, свинца и т.п. Например, лишайники погибают даже при следах диоксида серы в воздухе среды их обитания.

Геомагнитное поле. Магнитное поле планеты удерживает электроны и ядра водорода, которые образуют вокруг Земли радиационный пояс. Изменения в геомагнитном поле (ГМП) в основном связаны с солнечной активностью. Циклические возмущения ГМП достигают минимума одновременно с минимумом солнечной деятельности или на год позже. Вспышки на Солнце вызывают более мощные корпускулярные потоки, которые возмущают магнитное поле Земли. При этом быстро и сильно меняются характеристики магнитного поля, возникает так называемая «магнитная буря».

Аналогично гравитационному полю, ГМП является всепроникающим и всеохватывающим физическим фактором, который неизбежно оказывает влияние на процессы, происходящие на Земле и в окружающем ее пространстве, воздействует на все живое, в том числе и на человека. Это влияние носит весьма сложный характер, по-видимому, оно проявляется на клеточном уровне и затрагивает генетический аппарат. Достоверно установлено, что в периоды магнитных бурь возрастает количество сердечно-сосудистых заболеваний, ухудшается состояние больных, страдающих гипертонией. Так, в годы спокойного Солнца (1963…1964 гг.) отмечено меньшее число инфарктов миокарда, мозговых инсультов, гипертонических кризов, а в годы активного Солнца (1967…1968 гг.) сосудистые катастрофы заметно учащались.

Ионизирующее излучение – это любой вид излучения, прохождение которого через вещество, живую клетку, ткани, организм вызывает ионизацию и возбуждение составляющих их молекул и атомов. При этом различают квантовое (электромагнитное) ионизирующее излучение, к которому относят ультрафиолетовые лучи (длина волны 380...1 нм), рентгеновские лучи (от 10^-7 до 10^-12 м) и гамма-лучи (менее 0,1нм), а также корпускулярное ионизирующее излучение, к которому относятся альфа-лучи (ядра атомов гелия), бета-лучи (электроны или позитроны), потоки протонов и других частиц.

В природе ионизирующими излучениями являются космические лучи и излучения радиоактивных веществ. Космические лучи – поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также образуемое ими в атмосфере планеты вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные элементарные частицы. По современным представлениям, первичные космические лучи имеют в основном галактическое происхождение. Некоторая их часть приходит от Солнца. Предполагают, что частицы сверхвысоких энергий, возможно, зарождаются вне нашей Галактики.

Искусственное ионизирующее излучение (электроны, позитроны, протоны, нейтроны, атомные ядра и элементарные частицы, а также электромагнитное излучение гамма-, рентгеновского и оптического диапазонов) создается главным образом на ускорителях заряженных частиц, в результате испытаний ядерного оружия, работы ядерных энергетических установок и т.д.

Радиационный фон Земли складывается из разных источников. Около 30% естественного фона ионизирующих излучений составляют космические лучи, до 70% - излучения рассеянных в земной коре, почве, атмосфере, воде радиоактивных элементов – тория, урана, радия. Продукты их распада образуют α-, β- и γ- излучения. Радиоактивные изотопы К⁴⁰, Н³, С¹⁴ входят в состав клеток и тканей организма и вносят свою долю в естественный радиационный фон. В последнее время выявлен вклад радона в радиационный фон окружающей среды. В воздух жилых помещений радон проникает в основном из земной коры (через трещины). Там он образуется при распаде Rа²²⁶. Любое строение, в том числе жилой дом, препятствует рассеиванию радиоактивного газа радона, поэтому последний постепенно накапливается в помещениях, подчас достигая опасных концентраций.

Природные лучевые нагрузки организмов формируются за счет внешнего и внутреннего их облучения от естественных источников ионизирующего излучения. Внешнее облучение бионтов, т.е. живых организмов, формируется тремя составляющими: 1) космическим излучением; 2) излучением радионуклидов, рассеянных в биосфере; 3) излучением материалов и сооружений, созданных человеком. Внутреннее облучение бионтов формируется радионуклидами, накапливающимися в их тканях в процессе поглощения питательных веществ из окружающей среды. Количество этих радионуклидов в организме, как правило, не превышает определенного уровня.

Чувствительность организмов к ионизирующим излучениям. В процессе исторического развития все живые существа приобрели способность благополучно переносить естественный фон ионизирующего излучения; превышение этого фона представляет опасность для каждого организма. Только ионосфера защищает жизнь на Земле от губительного коротковолнового жесткого космического излучения. Важно подчеркнуть, что в воздействиях последнего на организмы не существует низшей пороговой дозы.

Чувствительность организма к ионизирующим излучениям зависит от видовых особенностей. На рисунке 2 по горизонтали показаны дозы (в греях), с 50%-ной вероятностью вызывающие гибель популяции.

Рисунок 2 – Чувствительность организмов к гамма-излучению (по Н.М. Мамедову, И.Т. Суравегиной, 1996 г.)

При поглощении энергии ионизирующего излучения в организме млекопитающих наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической форм лучевой болезни.

Различают следующие степени острой лучевой болезни млекопитающих в зависимости от поглощенной дозы: легкая (первая) степень – 1…2,5 Гр; средняя (вторая) – 2,5…4 Гр; тяжелая (третья) – 4…10 Гр; крайне тяжелая (четвертая) – от 10 Гр и выше. В развитии острой лучевой болезни отмечается три периода: формирование, восстановление, исход и последствия. Кроме того, ее течение зависит от площади облученной поверхности и затронутых при этом органов. Наиболее чувствительны к облучению костный мозг, некоторые отделы кишечника, селезенка.

Огонь как экологический фактор. В сочетании с определенными климатическими условиями (сушь, ветер) он может привести к полному или частичному выгоранию растительности в большинстве наземных местообитаний, гибели животных и микроорганизмов. Основной причиной возгораний в естественных условиях являются молнии, однако ныне все большее значение приобретают пожары, вызванные человеком: по некоторым данным, ежегодно в мире огонь уничтожает растительность на площадях в десятки миллионов гектаров. Как следствие, в атмосферу поступают огромные количества диоксида углерода и других веществ, что приводит к заметным экологическим последствиям. Кроме прямого воздействия огня на живые организмы экологически значимым является его косвенное воздействие. Это проявляется, например, прежде всего в ликвидации конкурентов для оставшихся в живых видов.

После сгорания растительного покрова резко изменяются условия среды: почва сильнее прогревается днем, но сильнее охлаждается ночью, больше пересыхает и легче подвергается ветровой и дождевой эрозии; наконец, увеличивается доступ к ней света. Изменяется и минеральный режим почвы на пожарищах, в частности, ускоряется минерализация гумуса, возрастает щелочность почвенного раствора и т.п. Выжигая в лесу подстилку, а в степи ветошь, огонь уничтожает многих представителей фауны, обитающих в этих слоях, но при этом, как правило, ликвидирует и многие патогенные факторы (например, разносчиков болезней).

В местностях, для которых характерны сухой климат и хорошо развитый растительный покров, многие растения в процессе эволюции приспособились к огневому воздействию и постепенно сформировали пирофитную (дословно: огнелюбивую) флору. Растения-пирофиты (дуб, белый ракитник и др.) обладают уникальными особенностями: быстрый рост и раннее плодоношение; твердая и прочная кожура семян; высокая огнестойкость коры стволов; высоко поднятая крона; высокая регенерационная способность корневых систем и т.п.

Выделяют несколько типов природных пожаров, которые различны по своему действию. Низовые пожары обладают избирательным действием, они способствуют развитию организмов с высокой устойчивостью к огню. Отметим, что относительно небольшие низовые пожары ускоряют разлагающее действие бактерий на отмершие растения и переводят минеральные питательные вещества почвы в более доступную для растений форму. Верховые пожары нередко уничтожают всю растительность и оказывают лимитирующее действие на большинство организмов. После таких пожаров биотическому сообществу приходится начинать все сначала, и должно пройти немало лет, пока участок снова станет достаточно продуктивным.

Питание как экологический фактор. Питанием называется процесс потребления энергии и вещества. Известны два способа питания: голофитный – без захвата пищи (посредством всасывания растворенных пищевых веществ через поверхностные структуры организма) и голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела.

Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма. Метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения веществ в организме. Реакции синтеза сложных веществ, осуществляющиеся с потреблением энергии, составляют основу анаболизма, или ассимиляции.

Пища – важнейший экологический фактор. Ее качество и количество способны изменять плодовитость, продолжительность жизни, развитие и смертность живых существ. Помимо этого, разнообразие пищевых рационов лежит в основе многочисленных морфологических, физиологических и экологических адаптаций.